DE102016002747A1

DE102016002747A1 - Variabler Resonatorschalldämpfer zur nachträglichen Einrüstung an Schiffsabgasrohre

Info

Publication number: DE102016002747A1
Application number: DE102016002747.9A
Authority: DE
Inventors: Dietrich Wittekind; Max Schuster; Thomas Büchler
Original assignee: Dw-Shipconsult GmbH
Current assignee: Dw-Shipconsult GmbH
Priority date: 2016-03-08
Filing date: 2016-03-08
Publication date: 2017-09-14

Abstract

Die Erfindung beschreibt einen Lambda-Viertel-Resonatorschalldämpfer zur Verwendung an Abgasrohren von konstant laufenden Schiffsmaschinen, welcher auch nach der Inbetriebnahme des Schiffes und auch oberhalb der Schornsteindecke eingebaut werden kann. Der Schalldämpfer verfügt über eine, in ihrer Position variable, Endscheibe, wodurch die Eigenfrequenz des Resonators an die zu dämpfende Frequenz angepasst werden kann. Somit kann auch bei einer veränderten Schallgeschwindigkeit im Abgas und einer damit verbundenen Verschiebung der zu dämpfenden Frequenz, die Wirksamkeit gewährleistet werden.

Description

Stand der Technik
Fast alle Schiffe setzen Dieselgeneratoren zur Stromerzeugung ein. Es handelt sich dabei um einen Dieselmotor, der mit konstanter Drehzahl entsprechend der Netzfrequenz an Bord läuft und einen Generator antreibt. Wenn die Schiffe im Hafen liegen, bleiben diese Generatoren in Betrieb. Das Abgas wird über den Schornstein abgeführt. Jede Abgasleitung hat in der Regel einen Schalldämpfer, der dafür sorgen soll, dass gewisse Grenzen (Schallpegel) an Bord und in der Umgebung nicht überschritten werden. Diese Schalldämpfer basieren auf dem Absorptionsprinzip und haben nur geringe Wirkung bei tiefen Frequenzen.
Auch wenn der vorgeschriebene Schallpegel an Bord eingehalten wird, kann das Dieselgeräusch im Hafen zu erheblicher Störung in der Umgebung, insbesondere in nahegelegenen Wohngebieten, führen. Dabei sticht besonders die sogenannte Motorzündfrequenz hervor, die abhängig von der Motorbauart bei einer bestimmten festen Frequenz liegt. Da diese Frequenz sehr tief liegt, ist eine Reduzierung mit herkömmlichen Absorptionsschalldämpfern um größere Beträge schwierig.
Eine bekannte Möglichkeit, solch tiefe Frequenzen zu dämpfen, ist der Einbau von halbseitig geschlossenen Hohlraumresonatoren, häufig auch Lambda-Viertel-Resonatoren genannt. Es handelt sich dabei um Rohrenden mit einer Länge von genau ¼ der Schall-Wellenlänge im Abgas. Bei dieser Länge zeigt sie eine hohe Wirkung. Allerdings gilt dies ausschließlich für die entsprechende eine Frequenz. Der Resonator muss exakt auf die Wellenlänge abgestimmt sein, wobei diese jedoch von der Schallgeschwindigkeit im Abgas abhängt. λ = c / f

λ: = Wellenlänge [m]
c: = Schallgeschwindigkeit im Abgasrohr [m/s]
f: = Zündfrequenz im Abgasrohr [1/s]

Die Schallgeschwindigkeit wiederum hängt von der Temperatur des Abgases an der Stelle ab, wo der Schalldämpfer eingebaut werden soll.
Daher gilt: Je höher die Abgastemperatur, desto höher die Schallgeschwindigkeit, desto größer die Wellenlänge und desto größer die benötigte Resonatorlänge.
Diese Lambda-Viertel-Resonatoren gibt es in verschiedenen Bauformen. Die einfachste ist eine Stichleitung mit einem geschlossenen Ende, die aus der Hauptleitung abzweigt. Die vom Dieselmotor entlang der Abgasleitung kommenden Schallwellen teilen sich zur Hälfte auf. Eine Teilwelle läuft den Resonator entlang und wird am geschlossenen Ende reflektiert. Wenn die Stichleitung genau eine Viertel Wellenlänge (Lambda) lang ist, kommt die reflektierte Welle so verschoben an der Abzweigung an, dass sie sich mit der anderen Teilwelle auslöscht und es theoretisch keine Schallweiterleitung in dieser Frequenz gibt. in der Praxis werden hiermit Schallreduktionen von über 20 Dezibel erreicht.
1 zeigt die qualitative Wirkung eines Lambda-Viertel Schalldämpfers in Abhängigkeit von der Frequenz. Wirkung gibt es nur bei Längen des Schalldämpfers, die einem Mehrfachen von einem Viertel der Schallwellenlänge im Abgas entsprechen.
Die Lärmbelästigung durch ein Schiff im Hafen kann daher durch den Einbau eines solchen Schalldämpfers reduziert werden. Zwei wesentliche Probleme stehen einem Einbau jedoch im Weg:

1. Die vorherrschende Schallgeschwindigkeit im Abgasrohr ist vor der Konstruktion des Schalldämpfers nicht genau bekannt. Die Länge des benötigten Resonators kann daher nicht exakt festgelegt werden.
2. Die nachträgliche Integration eines Resonatorschalldämpfers in die Abgasrohrleitung unterhalb der Schornsteindecke ist in der Regel wirtschaftlich nicht vertretbar.

Variable Resonatorschalldämpfer sind bekannt. Jedoch wird bei den bisherigen Anwendungen die Resonatorlänge auf die veränderbare Zündfrequenz abgestimmt. Das hier beschriebene Verfahren jedoch hat die Einstellbarkeit auf eine bestimmte Abgastemperatur zum Ziel.

Patente variabler Resonatorschalldämpfer sind folgende:
Patent DE 10 2013 013 824 A1 :
Titel: Helmholtzresonator mit variabler Frequenz Abgrenzungen zum beantragten Patent:

Einsatzort:	Hauptrohr des Automobil-Einlass-Systems
Zweck:	Dämpfung verschiedener Frequenzen, die bei unterschiedlichen Motordrehzahlen entstehen.
System:	Resonator besitzt zwei unterschiedlich lange Zuleitungsrohre, die wahlweise angesteuert werden. Das Arbeitsprinzip ist das eines Helmholtzresonators und nicht eines Lambda-Viertel-Resonators

Patent US 8727070 B2 :
Titel: Helmholtz damper and method for regulating the resonance frequency of a Helmholtz damper Abgrenzungen zum beantragten Patent:

Einsatzort:	Abgassystem von Gasturbinen
Zweck:	Dämpfung verschiedener Frequenzen, die durch Druckschwankungen (pressure oscillations) zustande kommen, welche wiederum durch verschiedene Lastzustände erzeugt werden.
System:	Die Resonatorkammer besitzt eine konstante Größe und wird durch die Einführung eines Rohrs in ihrem inneren Volumen verändert. Das Arbeitsprinzip ist das eines Helmholtzresonators und nicht eines Lambda-Viertel-Resonators

Patent DE 10004991 A1 :
Titel: Helmholtz-Resonator mit variabler Resonanzfrequenz Abgrenzungen zum beantragten Patent:

Einsatzort:	Ansaug- oder Abgassysteme von Verbrennungsmotoren mit variabler Drehzahl
Zweck:	Die Dämpfung von motordrehzahlabhängigen Ansaug- oder Abgasgeräuschen
System:	Resonanzkammergröße ist konstant und verfügt über einen Hals. An diesem Hals sind bis zu zwei Öffnungen angebracht, deren Öffnungsquerschnitt veränderbar ist. Das Arbeitsprinzip ist das eines Helmholtzresonators und nicht eines Lambda-Viertel-Resonators

Patent US 5771851 A :
Titel: Variably tuned Helmholtz resonator with linear response controller Abgrenzungen zum beantragten Patent:

Einsatzort:	Ansaugsystem von Verbrennungsmotoren für Fahrzeuge
Zweck:	Die Dämpfung von Geräuschen verschiedener Frequenzen, die durch variable Motordrehzahlen eines Verbrennungsmotors entstehen
System:	Resonanzkammergrößer ist konstant. Die Rohrleitung zwischen zu dämpfenden Medium und Resonanzkammer wird durch eine Einstellmöglichkeit in ihrem Querschnitt verändert. Das Arbeitsprinzip ist das eines Helmholtzresonators und nicht eines Lambda-Viertel-Resonators

Aufgabenstellung
Die Dämpfung des Abgasschallpegels von Schiffen im tiefen Frequenzbereich soll gegenüber dem Stand der Technik deutlich verbessert werden. Diese Dämpfung soll mittels der Integration eines Resonatorschalldämpfers erreicht werden. Der Schalldämpfer muss in seiner Länge exakt auf die, durch die Schallgeschwindigkeit beeinflusste, Zündfrequenzwellenlänge angepasst werden können und auch nach Inbetriebnahme des Schiffes einbaubar sein.
Beschreibung der Erfindung
Prinzip:
Die erfindungsgemäße Idee besteht darin, einen Resonator (1) mit einem verschiebbaren Boden (2) (dem Ende der Stichleitung) zu versehen, der nach Montage an Bord auf die maximale Wirkung eingestellt wird. Dies geschieht, indem die Position des Bodens bei stationärem Betrieb, also dort, wo die Abgastemperatur sich nicht mehr ändert, so lange verschoben wird, bis das verbleibende Geräusch einen minimalen Pegel hat. Durch Veränderung der Länge wird die wirksame Frequenz, also die Maxima in 1, an die im Abgasschall vorherrschende Frequenz angepasst, bis die entsprechenden Maxima der Wirksamkeit mit den Maxima der Emission übereinstimmt.
Einbau:
Der Resonator soll auch oberhalb der Schornsteindecke (6), entsprechend dem verfügbaren Raum, eingebaut werden können. Dargestellt ist ein Abgassystem eines Schiffes bestehend aus einer Abgasleitung (3) und einem Absorptionsschalldämpfer (4). Die Abgasleitung steigt im Schornstein (5) nach oben und tritt durch die Schornsteindecke (6) aus. Das Austrittsrohr (7) ragt dabei über die Schornsteindecke (6) hinaus. Jeder Dieselmotor hat seine eigene Abgasleitung, die alle über ein oder mehrere Schornsteine nach oben geführt werden.
An dem Austrittsrohr (7) wird der erfindungsgemäße Schalldämpfer (1) als Abzweig (9) angebracht und beispielsweise auf der Schornsteindecke (6) befestigt. Der Abzweig (9) braucht dabei nicht gerade zu sein, sondern darf auch Umlenkungen (8) haben, die dem verfügbaren Raum entsprechend angepasst werden. Diese Umlenkungen beeinträchtigen die Wirkung des Schalldämpfers nicht.
Das geschlossene Ende des Schalldämpfers wird durch eine Scheibe (2) dargestellt, die um einen vorher bestimmten Weg entsprechend der erwartete Variabilität der Abgastemperatur eingestellt werden kann. Die Verschiebung der Platte kann auf verschiedene Weise erfolgen, beispielsweise durch eine Gewindestange 10 oder über ein über das Ende der Abgasleitung gezogenes, verschiebbares Rohrstück 11.
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 102013013824 A1 [0010]
US 8727070 B2 [0011]
DE 10004991 A1 [0012]
US 5771851 A [0013]

Claims

Lambda-Viertel-Resonatorschalldämpfer zur Verwendung an Abgasrohren von Schiffen welcher mindestens aus einem Rohr und einer Endscheibe besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Endscheibe in ihrer Position variiert werden kann sowie eine Einrüstung an Bord auch nach der Inbetriebnahme des Schiffes und oberhalb der Schornsteindecke erfolgen kann.
Schalldämpfer gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr gerade ist oder eine Krümmung aufweist.
Schalldämpfer gemäß Anspruch 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass die Endscheibe manuell oder automatisch in ihrer Position variiert werden kann.
Verwendung eines Schalldämpfers gemäß einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die variable Einstellung der Scheibenposition der Anpassung der Schalldämpferwirkung an die tatsächlich vorherrschende Schallgeschwindigkeit im Abgas dient.