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Die
Erfindung betrifft einen Schalldämpfer nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1 für eine Abgasanlage eines Kraftfahrzeuges.
Des weiteren betrifft die Erfindung eine Abgasanlage für ein Kraftfahrzeug,
mit einem erfindungsgemäßen Schalldämpfer.
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Die
im Abgas durch den Verbrennungsprozeß im Verbrennungsmotor entstehenden
Druckimpulse führen
in dem durch die Abgasanlage strömenden
Abgasstrom zur Entstehung von Schallwellen in unterschiedlichen
Frequenzbereichen. Mit Hilfe von in der Abgasanlage vorgesehenen
Schalldämpfern sollen
insbesondere die für
das menschliche Gehör hörbaren Frequenzen
gedämpft
werden. Des weiteren soll verhindert werden, dass die Schallwellen
von der Abgasanlage an die Karosserie oder das Chassis des Fahrzeuges übertragen
werden und diese zum Schwingen anregen.
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Um
die Schallwellen zu dämpfen,
weist der Schalldämpfer
als eigentliche Schalldämpfereinheit zumindest
einen Schallabsorber, einen Schallreflektor oder einen Resonator
auf. Die Schalldämpfereinheit
des Schalldämpfers
steht über
eine Vielzahl Öffnungen,
beispielsweise Schlitze, Bohrungen, Langlöcher und ähnliches, mit dem Abgasrohr
in Strömungsverbindung.
Die Schallwellen des pulsierenden Abgasstromes werden durch die Öffnungen
in die Schalldämpfereinheit
geleitet, in der die Schallwellen in bekannter Weise durch Absorption
oder Reflexion gedämpft
werden.
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Insbesondere
bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten
des Abgasstromes entstehen in den bekannten Schalldämpfern beim
Durchströmen
zusätzlich
zu den bereits bestehenden niederfrequenten Tönen, die vom pulsierenden Abgasstrom übertragen
werden, hochfrequente Töne
mit sehr hoher Lautstärke,
welche mit abnehmender Strömungsgeschwindigkeit
nur mehr vermindert auftreten. Um diese zusätzlich generierten hochfrequenten
Töne zu dämpfen, ist
es üblich,
neben Schalldämpfereinheiten,
welche die niederfrequenten Töne
dämpfen, eine
Schalldämpfereinheit
im Schalldämpfer
vorzusehen, mit der die im Schalldämpfer zusätzlich entstehenden hochfrequenten
Töne gezielt
gedämpft werden.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, einen Schalldämpfer für eine Abgasanlage eines Kraftfahrzeuges bzw.
eine Abgasanlage, die mit einem derartigen Schalldämpfer ausgestattet
ist, bereitzustellen, bei dem bzw. bei der die Entstehung hochfrequenter Töne gezielt
verhindert, zumindest aber deutlich reduziert ist.
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Die
Erfindung löst
die Aufgabe durch einen Schalldämpfer
mit den Merkmalen nach Anspruch 1. Des weiteren löst die Erfindung
die Aufgabe durch eine Abgasanlage gemäß Anspruch 14, die mit einem
erfindungsgemäßen Schalldämpfer ausgestattet
ist.
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Versuche
haben gezeigt, dass die hochfrequenten Töne häufig durch die Anströmung der Öffnungen,
mit welchen das Abgasrohr mit den Schalldämpfereinheiten in Strömungsverbindung
steht, verursacht werden. Hierbei entstehen, ähnlich wie bei einer Flöte, an den Öffnungskanten
hochfrequente Pfeifgeräusche
mit sehr hohe Lautstärke.
Mit abnehmender Strömungsgeschwindigkeit
des Abgases werden diese Töne
leiser oder treten nicht mehr auf.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Schalldämpfer wird
nun im Abgasrohr das sich ausbildende Strömungsprofil des Abgasstromes
vor den Öffnungskanten
gezielt gestört.
Zu diesem Zweck schlägt
die Erfindung vor, in Strömungsrichtung
des Abgasstromes gesehen vor den Öffnungen Verwirbelungselemente oder
Turbulatoren vorzusehen, die in die sich an der Innenoberfläche des
Abgasrohres ausbildenden laminaren Grenzschichten hineinragen.
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Durch
die Verwirbelungselemente wird der Strömungsverlauf des Abgasstromes
an der Innenoberfläche
des Abgasrohres so gestört,
dass in den Rohrabschnit ten, welche in Strömungsrichtung des Abgasstromes
gesehen dem betreffenden Verwirbelungselement folgen, die Anströmung der Öffnungskanten
mit sehr geringer Gasgeschwindigkeit erfolgt. Durch Anordnen der Öffnungen
in einem Rohrabschnitt, welcher in Strömungsrichtung des Abgasstromes
gesehen dem betreffenden Verwirbelungselement unmittelbar folgt,
wird erreicht, dass die Grenzschichten insbesondere bei hohem Massendurchsatz
im Bereich der Öffnungen
ein Totgebiet entsteht in dem die lokale Gasgeschwindigkeit null oder
sehr gering ist, so dass hochfrequente Töne beim Vorbeiströmen des
Abgases an den Öffnungen nicht
entstehen können.
Strömt
dagegen das Abgas mit vergleichsweise geringer Strömungsgeschwindigkeit
durch das Abgasrohr an den Öffnungen
vorbei, tritt das zuvor beschriebene Phänomen nicht auf.
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Mit
Hilfe der erfindungsgemäßen Verwirbelungselemente
wird somit bei dem erfindungsgemäßen Schalldämpfer die
Entstehung derartiger hochfrequenter Töne verhindert, zumindest aber
deutlich reduziert. Hierdurch ist es bei dem erfindungsgemäßen Schalldämpfer gegebenenfalls
sogar möglich, auf
das Vorsehen einer zusätzlichen
Schalldämpfereinheit,
mit der die sonst üblicherweise
entstehenden hochfrequenten Töne
gedämpft
werden, zu verzichten, so dass, verglichen mit den bekannten Schalldämpfern,
sowohl die Fertigung des erfindungsgemäßen Schalldämpfers vereinfacht als auch
der erforderliche Materialeinsatz sowie das Gewicht des erfindungsgemäßen Schalldämpfers vermindert
ist.
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Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung,
den Unteransprüchen
und der Zeichnung.
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So
wird bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schalldämpfers vorgeschlagen,
in Strömungsrichtung
des Abgasstromes aufeinanderfolgend mehrere Verwirbelungselemente
anzuordnen. Hierdurch wird erreicht, dass der Abgasstrom über einen
längeren Rohrabschnitt
des Abgasrohres in seinem Strömungsprofil
gezielt gestört
wird, so dass auch bei einer Verteilung der Öffnungen, welche das Abgasrohr mit
der Schalldämpfereinheit
ver binden, über
einen vergleichsweise langen Rohrabschnitt die Entstehung hochfrequenter
Töne verhindert
wird. Die erfindungsgemäßen Verwirbelungselemente
können
hierbei zwischen den Öffnungen
angeordnet sein, ohne dass das Dämpfungsverhalten
des Schalldämpfers insgesamt
beeinträchtigt
wird.
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Ferner
ist es von Vorteil, wenn die Verwirbelungselemente, welche in einer
gemeinsamen Ebene quer zur Strömungsrichtung
des Abgasstromes angeordnet sind, gleichmäßig zueinander beabstandet an
der Innenoberfläche
des Abgasrohres vorgesehen sind. Auf diese Weise wird sichergestellt,
dass die Grenzschichten der Strömung
an der gesamten Innenoberfläche
des Abgasrohres verwirbelt werden. Sind die Öffnungen, die das Abgasrohr
mit der Schalldämpfereinheit
verbinden, jedoch nur an einer Seite des Abgasrohres ausgebildet,
beispielsweise bei einem seitlich als Helmholtzresonator angesetzten
Rohr, ist es jedoch auch ausreichend, wenn nur vor dem mit den Öffnungen
versehenen Innenoberflächenabschnitt
des Abgasrohres Verwirbelungselemente vorgesehen sind.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Schalldämpfers sind
jeweils mehrere in einer gemeinsamen Ebene quer zur Strömungsrichtung
des Abgasstromes gesehen angeordnete Verwirbelungselemente zu Gruppen
zusammengefaßt,
während
die einzelnen Gruppen der Verwirbelungselemente in Strömungsrichtung
des Abgasstromes gesehen aufeinanderfolgend angeordnet sind. Durch
diese Art der Anordnung der Verwirbelungselemente ist ein Muster
aus Verwirbelungselementen an der Innenoberfläche des Abgasrohres realisierbar,
mit dem das Strömungsprofil
des Abgasstromes über
einen längeren
Rohrabschnitt des Abgasrohres beeinflußt werden kann. Die einzelnen
Gruppen der Verwirbelungselemente können dabei versetzt zueinander
angeordnet sein. Sie können jedoch
auch so zueinander angeordnet sein, dass die Verwirbelungselemente
verschiedener Gruppen einander überdecken,
also jeweils auf einer gemeinsamen Linie in Strömungsrichtung des Abgasstromes gesehen
angeordnet sind.
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Besonders
bevorzugt sind die Abstände
zwischen den aufeinanderfolgenden Gruppen der Verwirbelungselemente
konstant gehalten, so dass ein gleichmäßiges Muster aus Verwirbelungselementen gebildet
ist.
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Um
sicherzustellen, dass bei aufeinanderfolgend angeordneten Verwirbelungselementen
der Abgasstrom über
einen vorgegebenen Längenabschnitt des
Abgasrohres genügend
verwirbelt ist, wird bei dem erfindungsgemäßen Schalldämpfer ferner vorgeschlagen,
dass der Abstand zwischen aufeinanderfolgend angeordneten Verwirbelungselementen
in Strömungsrichtung
des Abgasstromes gesehen so bemessen ist, dass das nachfolgend angeordnete Verwirbelungselement
in einem Abschnitt im Abgasrohr angeordnet ist, in welchem die vom
unmittelbar vorgeordneten Verwirbelungselement verursachten Verwirbelungen
der Grenzschichten des Abgasstromes an der Innenoberfläche des
Abgasrohres noch wirksam sind.
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Des
weiteren wird vorgeschlagen, vor jeder Öffnung am Abgasrohr jeweils
ein Verwirbelungselement anzuordnen, so dass gezielt auf die Grenzschichten
im Bereich der jeweiligen Öffnung
Einfluß genommen
werden kann.
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Die
Verwirbelungselemente sind vorzugsweise einstückig mit dem Abgasrohr ausgebildet.
Es kann jedoch auch sinnvoll sein, die Verwirbelungselemente als
separate Bauteile, beispielsweise als Leitbleche, auszubilden, welche
beispielsweise durch Schweißen
an der Innenoberfläche
des Abgasrohres befestigt sind, um in gekrümmt verlaufenden Abgasrohren
gezielt Verwirbelungen zu erreichen.
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Bei
der einstückigen
Ausbildung der Verwirbelungselemente mit dem Abgasrohr wird vorgeschlagen,
die Verwirbelungselemente durch Umformen des Abgasrohres auszubilden,
in dem beispielsweise von außen
in die Außenoberfläche des
Abgasrohres ein Profilwerkzeug eingedrückt wird, welches zur Ausbildung
des Verwirbelungselementes an der Innenoberfläche des Abgasrohres führt. So
sind bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform die Verwirbelungselemente
als an der Außenoberfläche des
Abgasrohres nach innen eingeprägte
Noppen ausgeformt.
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Alternativ
ist es denkbar, bei der Fertigung der Öffnungen, beispielsweise beim
Ausstanzen der Öffnungen,
den aus der jeweiligen Öffnung
ausgestanzten Materialrest nicht vollständig abzutrennen, sondern nach
innen in das Abgasrohr so umzubiegen, dass der Materialrest als
Verwirbelungselement wirkt. Dabei kann durch entsprechendes Verbiegen und
Verdrillen des Materialrestes sehr gezielt auf das Strömungsverhalten
des Abgasstromes unmittelbar vor der Öffnung Einfluß genommen
werden.
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Die
Höhe der
Verwirbelungselemente sollte so bemessen sein, dass sie größer ist
als die maximal mögliche
Dicke entstehender laminarer Grenzschichten. So hat sich in Versuchen
gezeigt, dass die Höhe
jedes Verwirbelungselementes in radialer Richtung quer zur Strömungsrichtung
des Abgasstromes betrachtet so bemessen sein sollte, dass sie 1/5
bis 1/15 des Durchmessers des Abgasrohres entspricht. Besonders
gute Ergebnisse ließen
sich mit Verwirbelungselementen erzielen, die 1/10 des Durchmessers des
Abgasrohres entsprachen.
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Die
Breite jedes Verwirbelungselementes quer zur Strömungsrichtung des Abgasstromes
betrachtet sollte wiederum so bemessen sein, dass das Verwirbelungselement
ein für
die Grenzschichten des Abgasstromes wirksames Hindernis darstellt, ohne
dass hierbei der Abgasstrom insgesamt merklich beeinflußt wird.
Hier hat sich in Versuchen gezeigt, dass sich eine besonders gute
Wirkung erzielen läßt, wenn
die Breite 1/2 bis 1/8, vorzugsweise 1/3, des Durchmessers des Abgasrohres
entspricht, ohne dass der Abgasstrom insgesamt merklich beeinflußt wird.
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Als
besonders geeignet hat sich in den Versuchen eine Länge für das Verwirbelungselement
in Strömungsrichtung
des Abgasstromes betrachtet herausgestellt, welche 1/3 bis 1/12,
vorzugsweise 1/6, des Durchmessers des Abgasrohres entspricht.
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Als
Schalldämpfereinheit
steht des Abgasrohr mit einem Absorptionsschalldämpfer, einem Reflexionsschalldämpfer oder
einem Resonator in Strömungsverbindung.
Selbstverständlich
können
auch mehrere Schalldämpfereinheiten gleichen
oder unterschiedlichen Typs mit dem Abgasrohr in Strömungsverbindung
stehen, beispielsweise ein Reflexionsschalldämpfer und ein Resonator.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Abgasanlage für ein Kraftfahrzeug,
die mit einem erfindungsgemäßen Schalldämpfer ausgestattet
ist.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die beigefügte
Zeichnung, in der:
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1 eine schematische Schnittansicht
eines erfindungsgemäßen Schalldämpfers mit
einem Abgasrohr, einem Helmholtzresonator und einer Reflexionskammer
zeigt,
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2 einen Schnitt entlang
der Schnittlinie II-II in 1 zeigt,
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3 eine vergrößerte perspektivische
Ansicht durch ein erfindungsgemäßes Verwirbelungselement
zeigt und
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4 einen Schnitt entlang
der Schnittlinie IV-IV in 1 zeigt.
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In 1 ist in schematischer Schnittansicht ein
erfindungsgemäßer Schalldämpfer 10 für eine Abgasanlage
in einem Kraftfahrzeug dargestellt. Der Schalldämpfer 10 ist in herkömmlicher
Weise entweder über
Flansche an die Verrohrung der Abgasanlage angeschlossen oder bereits
in die Abgasanlage unmittelbar integriert.
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Der
Schalldämpfer 10 hat
ein Schalldämpfergehäuse 12,
welches im dargestellten Ausführungsbeispiel
eine Hohlzylinderform besitzt. Das Schalldämpfergehäuse 12 ist an seinen
beiden offenen Enden jeweils durch eine Abdeckung 14 bzw. 16 verschlossen.
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Durch
das Schalldämpfergehäuse 12 erstreckt
sich ein hohlzylinderförmiges
Abgasrohr 18, das durch an den beiden Abdeckungen 14 und 16 ausgebildete
Aufnahmeöffnungen 20 und 22 in Längsrichtung
des Schalldämpfergehäuses 12 hindurchgeführt ist.
Das Abgasrohr 18 ist mit den beiden Abdeckungen 14 und 16 des
Schalldämpfergehäuses 12 verschweißt.
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Im
Schalldämpfergehäuses 12 ist
ein Helmholtzresonator 24 in Form eines L-förmig gebogenen Rohres 26 angeordnet,
dessen am kürzeren
Ende ausgebildete Rohröffnung 28 an
der Außenoberfläche des
Abgasrohres 18 verschweißt ist.
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Des
weiteren ist im Schalldämpfergehäuse 12 eine
quer zur Längsrichtung
des Abgasrohres 18 verlaufende Trennwand 30 angeordnet,
welche das Schalldämpfergehäuse 12 in
eine Reflexionskammer 32 unterteilt, die als Reflexionsschalldämpfereinheit 34 im
erfindungsgemäßen Schalldämpfer 10 dient. Aus
dem Abgasrohr 18 in die Reflexionskammer 32 geleitete
niederfrequente Schallwellen werden hier in bekannter Weise durch
Reflexion und Interferenz gedämpft.
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Zur Übertragung
der Schallwellen des durch das Abgasrohr 18 strömenden,
pulsierenden Abgasstromes sind am Abgasrohr 18 eine Vielzahl
von Öffnungen 36 und 38 ausgebildet.
Die Öffnungen 36 stehen
mit dem an der Außenoberfläche des
Abgasrohres 18 befestigten Rohröffnung 28 des Rohres 22 in Strömungsverbindung.
Die Öffnungen 38 verbinden das
Abgasrohr 18 mit der Reflexionskammer 32. Durch
die Öffnungen 36 bzw. 38 kann
der durch das Abgasrohr 18 strömende Abgasstrom mit der im Helmholtzresonator 20 stehenden
Gassäule
und mit dem in der Reflexionskammer 32 enthaltenen Gasvolumen
zur Schwingungsübertragung
kommunizieren.
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Wie 1 weiter zeigt, sind vor
den Öffnungen 36,
die das Abgasrohr 18 mit dem Helmholtzresonator 20 verbinden
in einer Ebene quer zur Strömungsrichtung
R des Abgasstromes gesehen mehrere Verwirbelungselemente 40 vorgesehen,
die von der Innenoberfläche
des Abgasrohres 18 radial nach innen abstehen. Wie 2 ferner zeigt, in der ein Schnitt
entlang der Schnittlinie II-II in 1 dargestellt
ist, sind die Verwirbelungselemente 40 nur unmittelbar
vor den mit dem Helmholtzresonator 24 in Verbindung stehenden,
seitlichen Öffnungen 36 am Abgasrohr 18 ausgebildet,
nicht jedoch seitlich zu diesen. In 3 ist
in vergrößerter perspektivischer Darstellung
eines der Verwirbelungselemente 40 gezeigt. Das Verwirbelungselement 40 ist
als Noppe ausgebildet und wurde von außen durch ein Formwerkzeug
nach innen in das Rohrinnere des Abgasrohres 18 eingeformt.
Das Verwirbelungselement 40 ist dabei so gestaltet und
bemessen, dass es für
die an der Innenoberfläche
des Abgasrohres 18 entlang strömende Grenzschicht des Abgasstromes
ein Hindernis darstellt, durch das das Strömungsprofil des Abgasstromes
eine merkliche Verwirbelung erfährt und
nach dem Passieren des Verwirbelungselementes 40 gezielt
gestört
ist, ohne dass dabei der Abgasstrom insgesamt merklich beeinflußt wird.
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Zu
diesem Zweck ist das Verwirbelungselement 40 in seiner
Höhe h
so bemessen, dass es 1/10 des Durchmessers des Abgasrohres 18 entspricht, so
dass sichergestellt ist, dass das Verwirbelungselement 40 durch
die laminare Grenzschicht des Abgasstromes vollständig in
radialer Richtung gesehen hindurchragt. Die Breite des Verwirbelungselementes 40 entspricht
1/3 des Durchmessers des Abgasrohres 18, während seine
Länge l
etwa 1/6 des Durchmessers des Abgasrohres 18 entspricht.
Die in Strömungsrichtung
R des Abgases gesehen der angeströmten Fläche des Verwirbelungselementes 40 abgewandte
Rückseite
kann ferner so gestaltet sein, dass eine Abrißkante für die Strömung gebildet ist, welche für zusätzliche
Verwirbelungen in der Grenzschicht des Abgasstromes führt.
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Entsprechende
Verwirbelungselemente 40, so wie sie in 3 dargestellt sind, sind ferner in dem Rohrabschnitt
des Abgasrohres 18 ausgebildet, der durch die Reflexionskammer 32 verläuft. Auch
hier sind Verwirbelungselemente 40 vorgesehen, die in einer
gemeinsamen Ebene quer zur Strömungsrichtung
R des Abgases gesehen angeordnete und jeweils in Gruppen 42 zusammengefaßt sind.
Wie 1 weiter zeigt,
sind insgesamt fünf
in Strömungsrichtung
R gesehen hintereinander angeordnete Gruppen 42 vorgesehen,
die jeweils konstant zueinander beabstandet im Abgasrohr 18 ausgebildet
und zwischen denen die Öffnungen 38 zum
Verbinden des Abgasrohres 18 mit der Reflexionskammer 32 angeordnet
sind. Wie 4 ferner zeigt,
in der ein Schnitt entlang der Schnittli nie IV-IV in 1 dargestellt ist, sind
die Verwirbelungselemente 40 jeweils einer Gruppe 42 gleichmäßig über den
Innenumfang des Abgasrohres 18 verteilt ausgebildet. In
dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel überdecken sich
die Verwirbelungselemente 40 der einzelnen Gruppen 42,
d.h. jeweils ein Verwirbelungselement 40 jeder Gruppe 42 ist
mit jeweils einem Verwirbelungselement 40 der anderen Gruppen 42 auf
einer gemeinsamen parallel zur Strömungsrichtung R verlaufenden
Linie entlang des Abgasrohres 18 angeordnet. Die Gruppen 42 können jedoch
auch versetzt zueinander ausgebildet sein, so dass die Verwirbelungselemente 40 der
verschiedenen Gruppen 42 unterschiedliche Rohrbereiche
beeinflussen.
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Strömt nun Abgas
durch das Abgasrohr 18 werden die laminaren Grenzschichten
des Abgasstromes, die sich an der Innenoberfläche des Abgasrohres 18 ausbilden,
durch die Verwirbelungselemente 40 so gestört, dass
Verwirbelungen in den Grenzschichten entstehen und diese über die
Rohrlänge
des Abgasrohres 18 betrachtet zumindest kurzfristig das
Strömungsprofil
des Abgasstromes beeinflussen, bis sich die Grenzschichten wieder
beruhigt haben und ein laminares Strömungsverhalten aufweisen. Durch
die Verwirbelungen wird erreicht, dass der Abgasstrom in den Bereichen,
die in Strömungsrichtung
R gesehen den Verwirbelungselementen 40 folgen und in denen
die Öffnungen 36 bzw. 38 angeordnet
sind, in seinen Grenzschichten so abgebremst ist, dass das sich
ausbildende Strömungsprofil
vor den Öffnungen 36 und 38 gezielt
gestört
ist und die Öffnungskanten
mit sehr geringer Strömungsgeschwindigkeit
angeströmt
werden. Dies hat zur Folge, dass das eingangs beschriebene Phänomen der
Entstehung hochfrequenter Töne
vermieden wird und die Schallwellen des Abgasstrom somit ohne Entstehung
zusätzlicher
Geräusche
mit dem Helmholtzresonator 20 und der Reflexionskammer 32 in
bekannter Weise gedämpft
werden können.
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- 10
- Schalldämpfer
- 12
- Schalldämpfergehäuse
- 14
- Abdeckung
- 16
- Abdeckung
- 18
- Abgasrohr
- 20
- Aufnahmeöffnung
- 22
- Aufnahmeöffnung
- 24
- Helmholtzresonator
- 26
- Rohr
- 28
- Rohröffnung
- 30
- Trennwand
- 32
- Reflexionskammer
- 34
- Reflexionsschalldämpfereinheit
- 36
- Öffnungen
- 38
- Öffnungen
- 40
- Verwirbelungselemente
- 42
- Gruppen
- R
- Strömungsrichtung