DE102014103054A1

DE102014103054A1 - Abgasschalldämpfer

Info

Publication number: DE102014103054A1
Application number: DE102014103054.0A
Authority: DE
Inventors: Frank Reichelt; Gabriel Ostromecki
Original assignee: Tenneco GmbH
Current assignee: Tenneco GmbH
Priority date: 2014-03-07
Filing date: 2014-03-07
Publication date: 2015-09-10
Also published as: US20170074133A1; US9938870B2; CN106164435A; WO2015132205A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Abgasschalldämpfer 1 einer Brennkraftmaschine mit einem einen Abgaseinlass 1.1 und einen Abgasauslass 1.2 aufweisenden Schalldämpfergehäuse 1.3 und mit einem ersten Helmholtzresonator 2, gebildet aus einem ein erstes Helmholtz-Volumen 2.1 begrenzenden ersten Gehäuseabschnitt 2.2 mit einem ersten Kopplungsrohr 2.3, wobei mindestens ein zweiter Helmholtzresonator 3, gebildet aus einem ein zweites Helmholtz-Volumen 3.1 begrenzenden zweiten Gehäuseabschnitt 3.2 mit einem zweiten Kopplungsrohr 3.3, über das das zweite Helmholtz-Volumen 3.1 an einen Abgasstrom A des Abgaseinlasses (1.1) ankoppelbar ist. Das zweite Kopplungsrohr 3.3 ist dabei zumindest teilweise innerhalb des ersten Kopplungsrohres 2.3 angeordnet und beide Kopplungsrohre 2.2, 3.3 begrenzen einen Ringspalt R, über den das erste Helmholtz-Volumen 2.1 an den Abgasstrom A ankoppelbar ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Abgasschalldämpfer einer Brennkraftmaschine mit einem einen Abgaseinlass und einen Abgasauslass aufweisenden Schalldämpfergehäuse und mit einem ersten Helmholtzresonator, gebildet aus einem ein erstes Helmholtz-Volumen begrenzenden ersten Gehäuseabschnitt mit einem ersten Kopplungsrohr.
Es ist bereits ein Abgasschalldämpfer mit einem Helmholtzresonator aus der DE 102 54 631 B4 bekannt. Der Helmholtzresonator weist ein Helmholtzrohr auf, über welches er an eine Abgaszuleitung angeschlossen ist. Zudem ist ein Abgasrohr vorgesehen, das koaxial zum Helmholtzrohr angeordnet ist und mit diesem einen Ringspalt R begrenzt, über den der Helmholtzresonator versorgt wird. Das Abgasrohr führt durch den Helmholtzresonator zu einer in Strömungsrichtung an den Helmholtzresonator anschließende Reflexionskammer, an die das Auslassrohr anschließt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Abgasschalldämpfer mit Helmholtzresonator derart auszubilden und anzuordnen, dass ein verbessertes Frequenzverhalten gewährleistet wird.
Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass ein zweiter Helmholtzresonator, gebildet aus einem ein zweites Helmholtz-Volumen begrenzenden zweiten Gehäuseabschnitt mit einem zweiten Kopplungsrohr, über das das zweite Helmholtz-Volumen an einen Abgasstrom A des Abgaseinlasses ankoppelbar ist, wobei das zweite Kopplungsrohr zumindest teilweise innerhalb des ersten Kopplungsrohres angeordnet ist und beide Kopplungsrohre einen Ringspalt R begrenzen, über den das erste Helmholtz-Volumen an den Abgasstrom A ankoppelbar ist.
Hierdurch wird erreicht, dass mindestens zwei Helmholtzresonatoren, die jeweils in unterschiedlichen Frequenzbereichen arbeiten, hintereinander angeordnet und trotzdem direkt angeblasen werden können. Durch das hiermit erreichte überlagerte Frequenzverhalten beider Helmholtzresonatoren wird ein wesentlich größerer Frequenzbereich abgedeckt, so dass eine sehr breite Gesamtdämpfung der Motorgeräusche möglich ist.
Das jeweilige Kopplungsrohr kann auch mehrteilig ausgebildet sein. Ein Kopplungsrohr mit variierendem Durchmesser ist auch möglich.
Vorteilhaft kann es hierzu auch sein, wenn das zweite Kopplungsrohr durch den ersten Gehäuseabschnitt geführt ist und beide Gehäuseabschnitte oder beide Helmholtz-Volumina mit Bezug zu einer Richtung RK des zweiten Kopplungsrohres nacheinander angeordnet sind. Somit kann bei geringem Bauraum ein doppelter Helmholtzresonator realisiert werden.
Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn der Ringspalt R eine Einströmöffnung E1 mit einem Normalenvektor N1 aufweist, wobei der Normalenvektor N1 mit einer Strömungsrichtung S des Abgaseinlassstutzens einen Winkel a einschließt, mit 90° < a <= 180° oder 100° <= a <= 180°. Die Einströmöffnung E1 wird aus beiden Rohrenden bzw. den jeweiligen Rohrkanten, die den Ringspalt R begrenzen, gebildet.
Vorteilhaft kann es auch sein, wenn das zweite Kopplungsrohr eine Einströmöffnung E2 mit einem Normalenvektor N2 aufweist, wobei der Normalenvektor N2 mit einer Strömungsrichtung S des Abgaseinlassstutzens einen Winkel b einschließt, mit 0° <= b < 90°.
Solange das Abgas ausgehend von der Strömungsrichtung S des Abgaseinlassstutzens parallel zur Einströmöffnung E1, E2, mithin rechtwinklig zum Normalenvektor N1, N2 verläuft, also die Einströmöffnung E1, E2 nur überströmt, spricht man vom ”Überströmen” des Helmholtzresonators. Ansonsten, wenn die Strömungsrichtung S in Bezug auf die Einströmöffnung E1, E2 eine Richtungskomponente rechtwinklig dazu, mithin parallel zum Normalenvektor N1, N2, wie beansprucht aufweist, spricht man vom ”Anblasen” des Helmholtzresonators. Die Strömungsrichtung S kann unabhängig davon stromauf der weiteren Form des Abgaseinlassstutzens nach beliebig ausgebildet sein.
Dabei kann es vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass in mindestens einem Gehäuseabschnitt mindestens eine perforierte Resonatorwand innerhalb des Helmholtz-Volumens vorgesehen ist. Das jeweilige Helmholtz-Volumen kann durch eine perforierte Resonatorwand auch geteilt sein, wobei die verschiedenen Teile dieses Helmholtz-Volumens funktionell zu dem einem Helmholtzresonator gehören. Davon sind wie nachstehend erläutert Gehäusewände mit einer Leckageöffnung zu unterscheiden, die zur Trennung verschiedener Gehäuseabschnitte vorgesehen sind.
Von besonderer Bedeutung kann für die vorliegende Erfindung sein, wenn das Helmholtz-Volumen durch Gehäusewände im Inneren des Schalldämpfergehäuses begrenzt ist, und in mindestens einer Gehäusewand eine Leckageöffnung vorgesehen ist. Über die Leckageöffnung findet eine Kopplung des Helmholtz-Volumens an ein Volumen eines anderen Gehäuseabschnitts innerhalb des Schalldämpfergehäuses statt. Die Leckageöffnung kann als Ausnehmung oder als Leckagerohr ausgebildet sein, so dass eine Kopplung mit unmittelbar oder mittelbar angrenzenden Gehäuseabschnitten möglich ist.
Ein Helmholtz-Volumen kann demnach zusätzlich zum Kopplungsrohr eine weitere Öffnung in Form einer Leckage haben und muss nicht vollständig gegen benachbarte Kammern abgekapselt sein. Die Größe der Leckageöffnung ist aber beschränkt, vorzugsweise auf einen Wert unter 200 mm². Mithin ist die Leckage beschränkt auf einen Bruchteil des durch den Abgasschalldämpfer hindurchtretenden Abgasstroms von maximal 2% bis 5%. Ein solcher Aufbau kommt einem klassischen Helmholzresonator sehr nahe, denn er gewährleistet ein akustisches Verhalten, ähnlich wie ein klassischer Helmholzresonator.
Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung kann es von Vorteil sein, wenn das Schalldämpfergehäuse mindestens einen weiteren Gehäuseabschnitt bzw. eine weitere Gehäusekammer mit einer Gehäusewand aufweist, wobei die Leckageöffnung beide Helmholtz-Volumina miteinander und/oder zumindest ein Helmholtz-Volumen mit dem Gehäuseabschnitt verbindet bzw. koppelt. Mithin ist eine im Wesentlichen akustische Kopplung des Helmholzvolumens mit einem weiteren Volumen gewährleitstet. Damit einher geht ein besonderes akustisches Verhalten.
Vorteilhaft kann es ferner sein, wenn die Leckageöffnung einer Gehäusewand einen Gesamtquerschnitt L mit 0 <= L <= 500 mm² oder 0 <= L <= 200 mm² oder 0 <= L <= 100 mm² oder 0 <= L <= 50 mm² aufweist. Die Leckageöffnung ist mit einem Gesamtquerschnitt L ausreichend klein, um die Wirkung als Helmholtz-Volumen bzw. Helmholtzresonator zu gewährleisten.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt. Es zeigen:
1 eine Prinzipskizze eines Abgasschalldämpfers mit zwei Helm holtzresonatoren;
2 eine Prinzipskizze einer Abgasanlage;
3 eine Prinzipskizze nach 1 mit Leckagerohr.
Ein Abgasschalldämpfer 1 nach 1 weist ein Schalldämpfergehäuse 1.3 auf, welches zur Aufnahme eines Abgaseinlassstutzens 1.1 und eines Abgasauslassstutzens 1.2 dient. Das Schalldämpfergehäuse 1.3 weist zudem zwei weitere Gehäusewände 1.4, 2.4 auf, so dass insgesamt drei Gehäuseabschnitte 3.2, 2.2, 1.6 ausgebildet sind. Während im dritten Gehäuseabschnitt 1.6, der als Reflexionskammer ausgebildet ist, der Einlassstutzen 1.1 sowie der Auslassstutzen 1.2 zum Anschluss der in 2 dargestellten Abgasanlage 4 münden, begrenzen der erste und der zweite Gehäuseabschnitt 3.2, 2.2 jeweils ein Helmholtz-Volumen 2.1, 3.1 als Teil eines ersten und zweiten Helmholtzresonators 2, 3. Das erste Helmholtz-Volumen 2.1 wird angeströmt über ein Kopplungsrohr 2.3, welches ebenso wie der Einlassstutzen 1.1 innerhalb des dritten Gehäuseabschnitts 1.6 mündet, so dass der durch den Einlassstutzen 1.1 eintretende Abgasstrom A in axialer Richtung auf das erste Kopplungsrohr 2.3 trifft. Innerhalb des ersten Kopplungsrohres 2.3 ist ein zweites Kopplungsrohr 3.3 angeordnet, welches endseitig im zweiten Helmholtz-Volumen 3.1 mündet. Das zweite Kopplungsrohr 3.3 weist eine Einströmöffnung E2 auf, die ebenfalls unmittelbar vor dem Abgaseinlassstutzen 1.1 angeordnet ist, so dass der Abgasstrom A beim Austreten aus dem Abgaseinlassstutzen 1.1 auf die Einströmöffnung E2 trifft. Die beiden Kopplungsrohre 2.3, 3.3 sind axial derart versetzt, dass das zweite Kopplungsrohr 3.3 mit Bezug auf eine Richtung RK nach innen versetzt im ersten Kopplungsrohr 2.3 platziert ist. Zwischen dem ersten Kopplungsrohr 2.3 und dem zweiten Kopplungsrohr 3.3 ist somit ein Ringspalt R gebildet, über den das erste Helmholtz-Volumen 2.1 mit dem Abgaseinlassstutzen 1.1 gekoppelt ist. Der Ringspalt R weist ebenfalls eine Einströmöffnung E1 auf, die durch die jeweils stirnseitige Rohrkante des ersten bzw. zweiten Kopplungsrohres 2.3, 3.3 begrenzt wird, wobei es sich im Falle des ersten Kopplungsrohres 2.3 um die innere Stirnkante und beim zweiten Kopplungsrohr 3.3 um die äußere Stirnkante handelt.
Der Einströmöffnung E1 ist ein Normalenvektor N1 zugeordnet, der mit einer Strömungsrichtung S des Abgasstroms A einen Winkel a einschließt. Damit ein direktes Anblasen des ersten Helmholtz-Volumens 2.1 über das erste Kopplungsrohr 2.3 gewährleistet ist, sollte der Winkel a größer als 90° sein. Ein Winkel a von 90° würde bedeuten, dass der Abgasstrom A bzw. dessen Strömungsrichtung S rechtwinklig zur Einströmungsöffnung E1 verläuft, die Einströmungsöffnung würde nur überströmt. Bei 180° findet ein vollständiges Anblasen statt. Grundsätzlich ist auch ein Winkel a von weniger als 90° denkbar. In diesem Fall steht das zweite Kopplungsrohr 3.3 über die Stirnseite des ersten Kopplungsrohres 2.3 in Richtung des Abgaseinlassstutzens 1.1 hervor, so dass die Einströmöffnung E1 ebenso wie die Einströmöffnung E2 einen Normalenvektor N1, N2 aufweist, der parallel zur Strömungsrichtung S verläuft.
Wie schon gesagt schließt der Normalenvektor N2 der Einströmöffnung E2 mit der Strömungsrichtung S einen Winkel b von 0° ein, d. h. die Strömungsrichtung S verläuft parallel zum Normalenvektor N2. Je nach Anschnitt des zweiten Kopplungsrohres 3.3 kann sich die Lage der Einströmöffnung E2 verändern, so dass der Normalenvektor N2 einen Winkel b > 0 zur Strömungsrichtung S einnimmt; der Winkel b sollte jedoch 90° nicht erreichen, so dass ein direktes Anblasen über das zweite Kopplungsrohr 3.3 möglich ist.
Bei den vorstehend genannten Winkelangaben ist vom Betrag des jeweils genannten Winkels a, b auszugehen. Gleichfalls sind die Größen 0° und 180° gleichzusetzen. Die vorstehende Nomenklatur ergibt sich lediglich auf Grundlage der angenommenen Strömungsrichtungen S des Abgases einerseits sowie der Normalenvektoren N1, N2 andererseits.
Innerhalb des zweiten Helmholtz-Volumens 3.1 ist eine Resonatorwand 3.4 vorgesehen, die als perforierte Zwischenwand ausgebildet ist. Sie hat eine gewisse Teilungswirkung auf das Helmholtz-Volumen 3.1, führt jedoch nicht zu einer gänzlichen Trennung des Helmholtz-Volumens 3.1, so dass das Helmholtz-Volumen 3.1 zusammen mit dem Kopplungsrohr 3.3 den zweiten Helmholtzresonator 3 als selbständige Funktionseinheit bildet.
In der Gehäusewand 1.4, die in diesem Ausführungsbeispiel die Trennwand zwischen dem ersten Helmholtz-Volumen 2.1 und dem zweiten Helmholtz-Volumen 3.1 bildet, ist eine Leckageöffnung 1.5 vorgesehen, die eine Leckage bzw. ein Überströmen zwischen beiden Helmholtz-Volumina 2.1, 3.1 gewährleistet. Die Leckageöffnung weist hierbei eine Größe L von ca. 80 mm² auf. Ebenso ist in der Gehäusewand 2.4, die eine Trennwand zum dritten Gehäuseabschnitt 1.6 bildet, eine Leckage in Form von einer doppelten Leckageöffnung 2.5 der Größe L vorgesehen, über welche das erste Helmholtz-Volumen 2.1 mit dem dritten Gehäuseabschnitt 1.6 bzw. dem Abgasauslassstutzen 1.2 und/oder dem Abgaseinlassstutzen 1.1 kommunizieren kann.
Der dritte Gehäuseabschnitt 1.6 bzw. die so gebildete Reflexionskammer kann auch mehrteilig ausgebildet sein, so dass der Abgaseinlassstutzen 1.1 bzw. der Abgasauslassstutzen 1.2 sowie das jeweilige Kopplungsrohr 2.3, 3.3 in denselben oder benachbarten Kammerteilen des dritten Gehäuseabschnitts 1.6 münden. In diesem Fall wären die entsprechenden Volumina über entsprechende Öffnungen miteinander gekoppelt.
Im Ausführungsbeispiel 2 ist der Abgasschalldämpfer 1 an eine Abgasanlage 4 eines Kraftfahrzeugs gekoppelt, wobei in einem Eingangsrohr 4a der Abgasanlage, welches an den Abgaseinlassstutzen 1.1 eingebunden ist, ein Katalysator 4.1 vorgesehen ist, während in einem Auslassrohr 4b der Abgasanlage 4 ein Nachschalldämpfer 4.2 vorgesehen ist.
Nach Ausführungsbeispiel 3 ist die Leckageöffnung 1.5 des zweiten Helmholtz-Volumens 3.1 als Rohr ausgebildet und verbindet das zweite Helmholtz-Volumen 3.1 unmittelbar mit dem dritten Gehäuseabschnitt 1.6, während das erste Helmholtz-Volumen 2.1 über die Leckageöffnung 2.5 ebenfalls mit dem Gehäuseabschnitt 1.6 gekoppelt ist. Somit sind die beiden Helmholtz-Volumina 2.1, 3.1 nicht unmittelbar miteinander gekoppelt.
Grundsätzlich kann die Leckageöffnung des jeweiligen Helmholtz-Volumens 2.1, 3.1 auch gänzlich entfallen.
Bezugszeichenliste

1: Abgasschalldämpfer
1.1: Abgaseinlass, -stutzen
1.2: Abgasauslass, -stutzen
1.3: Schalldämpfergehäuse
1.4: Gehäusewand, Trennwand
1.5: Leckageöffnung, Ausnehmung, Leckagerohr
1.6: dritter Gehäuseabschnitt, Reflexionskammer
2: erster Helmholtzresonator
2.1: erstes Helmholtz-Volumen
2.2: erster Gehäusabschnitt, Gehäusewand
2.3: erstes Kopplungsrohr
2.4: Gehäusewand
2.5: Leckageöffnung, Ausnehmung
3: zweiter Helmholtzresonator
3.1: zweites Helmholtz-Volumen
3.2: zweiter Gehäuseabschnitt, Gehäusewand
3.3: zweites Kopplungsrohr
3.4: Resonatorwand
4: Abgasanlage
4a: Einlassrohr
4b: Auslkassrohr
4.1: Katalysator
4.2: Nachschalldämpfer
A: Abgasstrom
a: Winkel
b: Winkel
E1: Einströmöffnung
E2: Einströmöffnung
N1: Normalenvektor
N2: Normalenvektor
R: Ringspalt
RK: Richtung
S: Strömungsrichtung
L: Gesamtquerschnitt, Größe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10254631 B4 [0002]

Claims

Abgasschalldämpfer (1) einer Brennkraftmaschine mit einem einen Abgaseinlass (1.1) und einen Abgasauslass (1.2) aufweisenden Schalldämpfergehäuse (1.3) und mit einem ersten Helmholtzresonator (2), gebildet aus einem ein erstes Helmholtz-Volumen (2.1) begrenzenden ersten Gehäuseabschnitt (22) mit einem ersten Kopplungsrohr (2.3), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zweiter Helmholtzresonator (3), gebildet aus einem ein zweites Helmholtz-Volumen (3.1) begrenzenden zweiten Gehäuseabschnitt (3.2) mit einem zweiten Kopplungsrohr (3.3), über das das zweite Helmholtz-Volumen (3.1) an einen Abgasstrom A des Abgaseinlasses (1.1) ankoppelbar ist, wobei das zweite Kopplungsrohr (3.3) zumindest teilweise innerhalb des ersten Kopplungsrohres (2.3) angeordnet ist und beide Kopplungsrohre (2.2, 3.3) einen Ringspalt R begrenzen, über den das erste Helmholtz-Volumen (2.1) an den Abgasstrom A ankoppelbar ist.
Abgasschalldämpfer (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Kopplungsrohr (3.3) durch den ersten Gehäuseabschnitt (2.2) geführt ist und beide Gehäuseabschnitte (2.2, 3.2) oder beide Helmholtz-Volumina (2.1, 3.1) mit Bezug zu einer Richtung RK des zweiten Kopplungsrohres (3.3) nacheinander angeordnet sind.
Abgasschalldämpfer (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringspalt R eine Einströmöffnung E1 mit einem Normalenvektor N1 aufweist, wobei der Normalenvektor N1 mit einer Strömunsgrichtung S des Abgaseinlassstutzens (1.1) einen Winkel a einschließt, mit 90° < a <= 180° oder 100° <= a <= 180°.
Abgasschalldämpfer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Kopplungsrohr (3.3) eine Einströmöffnung E2 mit einem Normalenvektor N2 aufweist, wobei der Normalenvektor N2 mit einer Strömunsgrichtung S des Abgaseinlassstutzens (1.1) einen Winkel b einschließt, mit 0° <= b < 90°.
Abgasschalldämpfer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem Gehäuseabschnitt (3.2) eine perforierte Resonatorwand (3.4) innerhalb des Helmholtz-Volumens (3.1) vorgesehen ist.
Abgasschalldämpfer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Helmholtz-Volumen (2.1, 3.1) durch Gehäusewände (1.4, 2.4) begrenzt ist und in mindestens einer Gehäusewand (1.4, 2.4) eine Leckageöffnung (1.5, 2.5) vorgesehen ist.
Abgasschalldämpfer (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schalldämpfergehäuse (1.3) mindestens einen weiteren Gehäuseabschnitt (1.6) aufweist, in den zumindest der Auslassstutzen (1.2) und/oder der Einlassstutzen (1.1) mündet, wobei die Leckageöffnung (1.5, 2.5) beide Helmholtz-Volumina (2.1, 3.1) miteinander und/oder zumindest ein Helmholtz-Volumen (2.1, 3.1) mit dem Gehäuseabschnitt (1.6) verbindet.
Abgasschalldämpfer (1) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Leckageöffnung (1.5, 2.5) einer Gehäusewand (1.4, 2.4) einen Gesamtquerschnitt L mit 0 <= L <= 500 mm² oder 0 <= L <= 200 mm² oder 0 <= L <= 100 mm² oder 0 <= L <= 50 mm² aufweist.
System bestehend aus einer Abgasanlage (4) für eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasschalldämpfer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.