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Die Erfindung bezieht sich auf ein Abgasschalldämpferelement zum Integrieren in einen Abgasschalldämpfer einer Brennkraftmaschine mit einem eine Gehäusewand aufweisenden Außengehäuse, mit einer Trennwand innerhalb des Außengehäuses, die das Außengehäuse in eine erste Kammer und in eine Helmholtzkammer unterteilt, und mit einem durch die Gehäusewand und durch die erste Kammer geführten Helmholtzrohr, das ein Einlassende und ein Auslassende aufweist, wobei das Einlassende zwecks Ankopplung an das Abgasschalldämpferelement aus dem Außengehäuse herausgeführt ist und das Auslassende zwecks Ankopplung der Helmholtzkammer in der Helmholtzkammer mündet, wobei das Helmholtzrohr zwecks Ankopplung der ersten Kammer eine Perforationszone PZ1 in der ersten Kammer aufweist. Die Trennwand ist zumindest großteils innerhalb des Außengehäuses angeordnet, kann aber im Randbereich einen Teil der Gehäusewand bilden.
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Es ist bereits ein Schalldämpfer für Verbrennungsmotoren aus der
GB 2 285 283 A bekannt, bei dem in einem Gehäuse mehrere Zwischenwände und mehrere Kammern nebeneinander angeordnet sind. Es ist ein Eingangsrohr vorgesehen, das durch zwei Kammern geführt wird und in einer Vorkammer mündet, wobei die Vorkammer an eine Helmholtzkammer angeschlossen ist.
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Weiter ist aus der
EP 1 908 930 A2 ein Schalldämpfer mit Gehäuse mit einer Helmholtzkammer bekannt. Das Eingangsrohr mündet in einer Expansionskammer, an die zwei Auslassrohre und ein Einlassrohr angeschlossen sind.
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Aus der
US 8,172,039 B2 ist ein Schalldämpfer bekannt, der mehrere teilweise mit Absorptionsmaterial gefüllte Kammern aufweist. Ein Abgas führendes Einlassrohr mündet in einer Helmholtzkammer und ist über eine zusätzliche Perforation bzw. Perforationszone mit einer Vorkammer gekoppelt.
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Aus der
US 4,501,341 A ist ein Schalldämpfer mit zwei Helmholtzkammern bekannt. Das Einlassrohr ist durch beide Helmholtzkammern geführt und bildet auch gleichzeitig das Auslassrohr. In der ersten Helmholtzkammer weist das Einlassrohr eine Perforation zur Ankopplung der ersten Helmholtzkammer sowie eine Abzweigung für ein weiteres Einlassrohr auf. Das weitere Einlassrohr mündet in der zweiten Helmholtzkammer.
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Der Terminus ”münden” bezeichnet nur die Tatsache, dass das jeweilige Rohr dort endet. Auf die Richtung der Abgasströmung, mithin ein Aus- oder Einströmen, wird dabei nicht abgestellt.
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Der Terminus ”Außengehäuse” bezeichnet nur die Tatsache, dass die Gehäusewand, für das Abgasschalldämpferelement allein betrachtet, die Außenwand darstellt. Es soll klargestellt sein, dass es sich bei der Gehäusewand um die äußere Wand des Abgasschalldämpferelements handelt. Eine Außenwand oder eine äußere Gehäusewand eines Abgasschalldämpfers bzw. eines Abgasschalldämpfergehäuses, in dem das Abgasschalldämpferelement integriert ist, ist dabei unbeachtlich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Abgasschalldämpferelement derart auszubilden und anzuordnen, dass die Variationsbreite der akustischen Eigenschaften eines Helmholtzresonators verbessert wird.
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Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass das Helmholtzrohr zwecks Ankopplung der ersten Kammer eine Perforationszone PZ1 in der ersten Kammer aufweist, wobei die Perforationszone PZ1 mit Bezug zur Strömungsrichtung zwischen der Einlassöffnung und der Auslassöffnung vorgesehen ist, und dass die erste Kammer als Absorptionskammer ausgebildet und zumindest teilweise mit einem Absorptionsmaterial gefüllt ist.
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Die Helmholtzkammer bildet zusammen mit dem Helmholtzrohr einen Helmholtzresonator, dessen Resonanzfrequenz unter anderem abhängig ist von der Länge des Helmholtzrohres, das auch als Helmholtzhals bezeichnet wird. Es hat sich erfindungsgemäß gezeigt, dass trotz Anwendung einer Perforationszone im Helmholtzrohr eine Änderung der Grund-Resonanzfrequenz des Helmholtzresonators verhindert wird. Die vorgeschaltete Absorptionskammer, innerhalb der die Perforationszone des Helmholtzrohres vorgesehen ist, gewährleistet die Stabilität des Helmholtzresonators trotz Anwendung einer Perforation. Die Perforationszone wiederum hat einen dämpfenden Effekt, sodass die Bandbreite, mithin hochfrequente Frequenzanteile, verändert werden können.
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Ein teilweises Füllen der Absorptionskammer mit Absorptionsmaterial kommt nur unter Anwendung entsprechender Zwischenwände in Betracht. Zwecks Variation des Absorptionsgrades wird in der Regel die Absorptionskammer vollständig gefüllt und der Füllungsgrad der Absorptionskammer variiert. Ein Füllungsgrad zwischen 30 g/l [Gramm pro Liter] und 150 g/l, insbesondere zwischen 50 g/l und 120 g/l, hat sich als vorteilhaft erwiesen.
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Die Gehäusewand des Abgasschalldämpferelements ist mit Ausnahme der Öffnung für das Helmholtzrohr bzw. das Helmholtzrohr selbst geschlossen. Eine weitere Ankopplung des Abgasschalldämpferelements an einen Abgasschalldämpfer, in den das Abgasschalldämpferelement integriert ist, ist aber möglich.
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Mit Bezug auf eine Perforationszone wird das Verhältnis von Wandfläche zu Öffnungsquerschnitt auch als Perforationsgrad bezeichnet. Maßgebend für die Wandfläche und für den Öffnungsquerschnitt ist dabei die Projektion derselben in Strömungshauptrichtung des Abgases. Ein etwaig durch die Wand bzw. die Wandfläche geführtes Abgasrohr ist selbstverständlich nicht Teil der Perforationszone und wird demnach bei der Bestimmung des Perforationsgrades nicht berücksichtigt.
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Ein Abgasrohr oder eine Kammer wird als angekoppelt bezeichnet, wenn durch Anwendung einer oder mehrerer Öffnungen in einer Rohrwand oder Kammerwand eine Strömungsverbindung und/oder eine Schallverbindung zwischen den zu koppelnden Elementen gewährleistet ist.
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Vorteilhaft kann es hierzu auch sein, wenn das Helmholtzrohr mit Bezug zur Strömungsrichtung nach der Einlassöffnung keine weitere Kopplungsöffnung aufweist, abgesehen von bzw. mit Ausnahme von der Auslassöffnung und der Perforationszone PZ1. Somit ist das Helmholtzrohr ausgehend von einem klassischen Helmholtzresonator lediglich über die Perforationszone PZ1 an die Absorptionskammer angekoppelt. Die mit der Perforationszone PZ1 einhergehenden Änderungen der Resonanzfrequenz sind sehr gering, zumindest wesentlich geringer als anzunehmen war.
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Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn die Trennwand eine Wandfläche und eine Perforationszone PZ2 aufweist, wobei ein Öffnungsquerschnitt der Perforationszone PZ2 maximal 50% der Wandfläche beträgt. Vorzugsweise findet ein Perforationsgrad zwischen 3% und 5% Anwendung. Somit ist der aus dem Helmholtzrohr und der Helmholtzkammer gebildete Helmholtzresonator bedämpft.
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Art und Ausbildung eines bedämpften Helmholtzresonators ist bereits aus der
EP 0 802 308 B1 bekannt. Die darin enthaltenen Informationen zur Ausbildung eines Helmholtzresonators werden hiermit ausdrücklich zwecks Vermeidung von Wiederholungen zum Gegenstand dieser Anmeldung gemacht.
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Vorteilhaft kann es auch sein, wenn die erste Kammer in der Gehäusewand eine Perforationszone PZ4 aufweist, wobei ein Öffnungsquerschnitt der Perforationszone PZ4 maximal 50% der Wandfläche beträgt. Vorzugsweise findet ein Perforationsgrad zwischen 5% und 15% oder zwischen 3% und 5% Anwendung.
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Dabei kann es vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die Absorptionskammer vollständig mit Absorptionsmaterial gefüllt ist. Der Füllungsgrad kann wie oben beschrieben variieren.
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Von besonderer Bedeutung kann für die vorliegende Erfindung sein, wenn die Einlassöffnung durch ein Einlassende gebildet ist. Somit ist ein direktes Anblasen des Helmholtzrohres über die Einlassöffnung möglich.
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Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung kann es von Vorteil sein, wenn die Auslassöffnung durch eine Perforationszone PZ3 und/oder durch ein Auslassende gebildet ist. Diese Varianten gewährleisten eine zusätzliche Abstimmungsmaßnahme des Abgasschalldämpferelements.
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Vorteilhaft kann es ferner sein, wenn das Helmholtzrohr eine Wandfläche und die Perforationszone PZ1 innerhalb der ersten Kammer einen Öffnungsquerschnitt aufweist, wobei der Öffnungsquerschnitt maximal 50% der Wandfläche des Helmholtzrohres innerhalb der ersten Kammer beträgt. Vorzugsweise findet ein Perforationsgrad zwischen 40%–50% Anwendung.
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Die genannten Vorteile ergeben sich auch für einen Abgasschalldämpfer mit einem Abgasschalldämpfergehäuse, in dem ein Abgasschalldämpferelement wie vorstehend beschrieben aufgenommen ist, wobei ein Anströmrohr mit einer Ausströmöffnung vorgesehen ist, über das eine Abgasströmung dem Abgasschalldämpferelement zugeführt wird, und wobei ein Abgasrohr vorgesehen ist, über das Abgas zu einem Abgasschalldämpfergehäuseauslass geführt wird, wobei die Ausströmöffnung und das Einlassende des Helmholtzrohres gegenüberliegend angeordnet sind und mit Bezug zur Abgasströmung eine Überdeckung O aufweisen. Es kann auch auf eine Überdeckung O verzichtet werden, um die damit einhergehenden Änderungen im akustischen Verhalten aufzugreifen.
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Hierzu kann es vorteilhaft sein, wenn das Anströmrohr und das Helmholtzrohr über eine Anschlusszone verbunden sind, wobei die Anschlusszone eine Perforationszone PZ5 aufweist. Somit ist ein direktes Anblasen des Helmholtzrohres auf jeden Fall gewährleistet. Darüber hinaus ist der beim Anblasen erreichbare Schalldruck innerhalb des Helmholtzrohres maximal.
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Sofern auf die Perforationszone PZ4 verzichtet wird, mithin das Außengehäuse mit Ausnahme des Helmholtzrohres geschlossen ist, bewegt sich im Abgasschalldämpferelement lediglich eine schwingende Gassäule. Es wird kein Abgasstrom durch das Abgasschalldämpferelement durchgeführt. Lediglich bei Vorliegen der Perforationszone PZ4 im Außengehäuse kann ein Abgasdurchtritt entstehen. Der Terminus ”Anblasen” ist somit dem Grunde nach auf das akustische Ankoppeln gerichtet und nicht auf eine strömungstechnische Ankopplung des Helmholtzrohres bzw. des Helmholtzresonators.
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Auch bei Vorliegen zusätzlicher Perforationszonen zur Perforationszone PZ1, wie die Perforationszonen PZ2 und PZ4, ist eine Abweichung der Resonanzfrequenz des so gebildeten Helmholtzresonators wesentlich geringer, als zu erwarten war. Darüber hinaus nimmt die Bandbreitigkeit des Helmholtzresonators, insbesondere bei Anwendung weiterer Perforationszonen PZ2 und PZ4, zu.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt. Es zeigen:
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1 eine Prinzipskizze der Schnittdarstellung eines Abgasschalldämpferelements;
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2 ein alternatives Ausführungsbeispiel;
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3 eine Prinzipskizze des Abgasschalldämpferelements integriert in einen Abgasschalldämpfer;
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4 eine Prinzipskizze eines Helmholtzrohres;
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5 eine Prinzipskizze des Abgasschalldämpfers mit Abgasschalldämpferelement;
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6 eine Alternative zu 5;
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7 eine Alternative zu 5 und 6.
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Ein in 1 dargestelltes Abgasschalldämpferelement 1 weist ein Außengehäuse 1.1 auf, welches im Wesentlichen durch eine Gehäusewand 1.3 gebildet wird. Innerhalb des Außengehäuses 1.1 ist zudem eine Trennwand 1.2 vorgesehen, welche das Außengehäuse 1.1 unterteilt in eine erste Kammer 2.1 und eine zweite Kammer, eine Helmholtzkammer 2.2. Während die Helmholtzkammer 2.2 füllungsfrei ausgebildet ist, weist die erste Kammer 2.1 ein Absorptionsmaterial 4 auf und ist somit als Absorptionskammer ausgebildet.
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Zwecks Anbindung des Abgasschalldämpferelements 1 ist zudem ein Helmholtzrohr 3 vorgesehen, welches von außen durch die Absorptionskammer 2.1 geführt ist und in der Helmholtzkammer 2.2 mündet. Das Helmholtzrohr 3 bildet somit den sogenannten Helmholtzhals, über den die Helmholtzkammer 2.2 angeströmt bzw. angeblasen wird. Die Ankopplung der Helmholtzkammer 2.2 erfolgt über eine Auslassöffnung 3.4 an einem Auslassende 3.2 des Helmholtzrohres 3. Die Ankopplung des Helmholtzrohres 3 an die weitere Umgebung erfolgt durch eine Einlassöffnung 3.3 am Einlassende 3.1 des Helmholtzrohres 3.
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Zwecks Bedämpfung des aus Helmholtzrohr 3 und Helmholtzkammer 2.2 gebildeten Helmholtzresonators weist die Trennwand 1.2, die die Helmholtzkammer 2.2 zu Teilen begrenzt, eine Perforationszone PZ2 auf.
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Das Helmholtzrohr 3, dessen Länge (nicht dargestellt) ein maßgebliches Kriterium für die Resonanzfrequenz des beschriebenen Helmholtzresonators darstellt, weist ebenfalls eine Perforationszone PZ1 auf, die innerhalb der Absorptionskammer 2.1 platziert ist und über welche das Helmholtzrohr 3 an die Helmholtzkammer 2.1 angekoppelt ist.
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Das nach 1 dargestellte Abgasschalldämpferelement 1 ist Bestandteil eines Abgasschalldämpfers 5 wie nach 3 und 5 skizziert. Das Abgasschalldämpferelement 1 wird über verschiedene Abgas- bzw. Anströmrohre 5.2 des Abgasschalldämpfers 5 innerhalb desselben angeströmt.
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In dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist im Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach 1 das Helmholtzrohr 3 verlängert und durch die Helmholtzkammer 2.2 bis zur endseitigen Gehäusewand 1.3 geführt. Zwecks Ankopplung des Helmholtzrohres 3 an die Helmholtzkammer 2.2 weist dieses eine Perforationszone PZ3 auf, die innerhalb der Helmholtzkammer 2.2 platziert ist. Die Perforationszone PZ3 bildet somit die Einlassöffnung 3.3, welche nach dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 durch das Auslassende 3.2 gebildet ist.
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Zudem weist die Absorptionskammer 2.1 im Bereich der sie begrenzenden Gehäusewand 1.3 eine zusätzliche Perforationszone PZ4 auf, über welche die Absorptionskammer 2.1 an ein umgebendes Volumen eines nach 3 und 5 skizzierten Abgasschalldämpfers 5 angekoppelt ist.
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Nach 3 sind der Abgasschalldämpfer 5 und dessen Abgasschalldämpfergehäuse 5.1, welche das Abgasschalldämpferelement 1 umgeben, zu Bruchteilen dargestellt. Das Abgas wird über das Anströmrohr 5.2 (siehe Pfeil) dem Abgasschalldämpferelement 1 bzw. dem Helmholtzrohr 3 zugeführt, sodass das Helmholtzrohr 3 durch den eintretenden Abgasstrom angeströmt wird. Das über das Anströmrohr 5.2 eintretende Abgas verlässt den Abgasschalldämpfer 5 bzw. die entsprechende hier nicht weiter benannte Kammer über ein Abgasrohr 5.5.
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Zwecks Anströmung des Helmholtzrohres 3 weisen das Anströmrohr 5.2 sowie das Helmholtzrohr 3 eine Überdeckung O auf, sodass das Helmholtzrohr 3 im Umfang der Überdeckung O über das Anströmrohr 5.2 unmittelbar angeströmt bzw. angeblasen wird. Die dargestellte Überdeckung O kann in einem nicht weiter dargestellten Ausführungsbeispiel auch kleiner oder größer sein. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass keine Überdeckung O zwischen Anströmrohr 5.2 und Helmholtzrohr 3 vorgesehen ist.
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Alternativ zu der vorgehend beschriebenen Anströmung des Helmholtzrohres 3 sind nach dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 das Anströmrohr 5.2 und das Helmholtzrohr 3 über eine Anschlusszone 5.4 miteinander verbunden bzw. gekoppelt. Die Anströmzone 5.4 weist eine Perforationszone PZ5 auf, die den Perforationsgrad betreffend derart ausgebildet ist, dass die Führung des Abgasvolumenstroms, welcher über die Anströmrohr 5.2 eintritt, über die Anschlusszone 5.4 in das weitere Abgasschalldämpfergehäuse 5.1 geführt werden kann. Das Abgasschalldämpferelement 1 wird im Wesentlichen nur angeblasen. Ein Durchströmen mit Abgas erfolgt nach den Ausführungsbeispielen gemäß 1 und 3 nicht. Auch nach Ausführungsbeispiel 2 ist der Anteil des Abgasvolumenstroms, der durch das Abgasschalldämpfelement 1 durchtritt, mithin in das Helmholtzrohr 3 eintritt und im Ergebnis aus der Perforationszone PZ4 austritt, sehr gering. Der Großteil des durch das Anströmrohr 5.2 eintretenden Abgasvolumenstroms muss über die Anschlusszone 5.4 bzw. die Perforationszone PZ5 geführt werden.
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Nach 5 ist das Abgasschalldämpferelement 1 in einen Abgasschalldämpfer 5 integriert. Über ein Einlassrohr 5.6 wird Abgas in den Abgasschalldämpfer geführt, welches letztlich über das Anströmrohr 5.2 dem Abgasschalldämpferelement 1 zugeführt wird, wobei zumindest das Helmholtzrohr 3 angeblasen wird, wie vorgehend beschrieben. Bei dem Anströmrohr 5.2 kann es sich auch um ein Einlassrohr 5.6 handeln, sodass das Helmholtzrohr 3 unmittelbar über das Einlassrohr 5.6 angeströmt wird. Nach 5 wird das Helmholtzrohr 3 über das Einlassrohr 5.6 nur mittelbar angeströmt, hier über das Anströmrohr 5.2. Das in das Abgasschalldämpfergehäuse 5.1 eintretende Abgas wird letztlich über ein Abgasrohr 5.5 aus dem Abgasschalldämpfer 5 herausgeführt. Es kann auch vorgesehen sein, dass das Abgas über das Abgasrohr 5.5 zunächst innerhalb des Abgasschalldämpfergehäuses 5.1 in weitere Kammern (hier nicht dargestellt) des Abgasschalldämpfergehäuses 5.1 geführt wird und letztlich über ein Auslassrohr, wie hier mit 5.5 bezeichnet, das Abgasschalldämpfergehäuse 5.1 verlässt.
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Das Abgasschalldämpferelement 1 ist in der Regel ein Bestandteil eines Abgasschalldämpfers 5. Dabei ist es möglich, jedoch nicht zwingend, dass das Außengehäuses 1.1 des Abgasschalldämpferelements 1 gleichzeitig auch einen Teil einer äußeren Gehäusewand des Abgasschalldämpfergehäuses 5.1 bildet. So auch nach 6.
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Nach 6 ist das Abgasschalldämpferelement 1 im Unterschied zu 5 einseitig (hier oben) an das Abgasschalldämpfergehäuses 5.1 angeschlossen. In diesem Fall ist die Gehäusewand 1.3 des Außengehäuses 1.1 Teil der äußeren Gehäusewand des Abgasschalldämpfergehäuses 5.1.
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Nach 7 ist das Abgasschalldämpferelement 1 im Unterschied zu 6 beidseitig (hier oben und unten) an das Abgasschalldämpfergehäuses 5.1 angeschlossen. Auch in diesem Fall ist die Gehäusewand 1.3 des Außengehäuses 1.1 Teil der äußeren Gehäusewand des Abgasschalldämpfergehäuses 5.1. Das Abgasrohr 5.5 ist als Auslassrohr ausgebildet und entweder an dem Abgasschalldämpferelement 1 vorbei geführt oder (nicht dargestellt) durch das Abgasschalldämpferelement 1 hindurch geführt. In beiden Fällen ist das Abgasrohr 5.5 weder an die Helmholtzkammer 2.2 noch an die Absorptionskammer 2.1 angekoppelt, mithin vom Abgasschalldämpferelement 1 abgekoppelt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Abgasschalldämpferelement
- 1.1
- Außengehäuse
- 1.2
- Trennwand
- 1.3
- Gehäusewand
- 2.1
- erste Kammer, Absorptionskammer
- 2.2
- Helmholtzkammer
- 3
- Helmholtzrohr
- 3.1
- Einlassende
- 3.2
- Auslassende
- 3.3
- Einlassöffnung, Rohrende, PZ3
- 3.4
- Auslassöffnung
- 4
- Absorptionsmaterial
- 5
- Abgasschalldämpfer
- 5.1
- Abgasschalldämpfergehäuse
- 5.2
- Anströmrohr
- 5.3
- Ausströmöffnung
- 5.4
- Anschlusszone
- 5.5
- Abgasrohr
- 5.6
- Einlassrohr
- PZ1
- Perforationszone von 3
- PZ2
- Perforationszone von 1.2
- PZ3
- Perforationszone von 3
- PZ4
- Perforationszone von 1.3
- PZ5
- Perforationszone von 5.4
- O
- Überdeckung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- GB 2285283 A [0002]
- EP 1908930 A2 [0003]
- US 8172039 B2 [0004]
- US 4501341 A [0005]
- EP 0802308 B1 [0017]
