-
Die Erfindung bezieht sich auf schalldämpfendes Gasleitrohr für strömende
Gase, insbesondereAbgase von Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen, in welchem
sich mindestens zwei hohle längliche Einbauten befinden, die vom Gasstrom "allseitig
umspült werden und deren Innenräume als schalldämpfende Kanunern durch Öffnungen
mit dem Rohr in Verbindung stehen.
-
Zur Schalldämpfung von aus Brennkraftmaschinen austretenden Abgasen
wurden bisher stets in die Gasleitrohre eingeschalteteAuspufftöpfe verwendet, deren
Querschnitt den der Gasleitrohre um ein Vielfaches übersteigt und die eine geringe
Anzahl großer Resonatoren aufweisen. Diese Auspufftöpfe haben sowohl technisch als
auch wirtschaftlich erhebliche Nachteile.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gasleitrohr der eingangs
beschriebenen Art zu schaffen, das die Nachteile ,_der bekannten Auspufftöpfe nicht
mehr aufweist und insbesondere billig in -der Herstellung, stör-, insbesondere korrosionsunanfällig,
klein in den Abmessungen und den verschiedenen Gegebenheiten und Frequenzbedingungen
anpaßbar ausgebildet ist.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Gasleitrohr der eingangs
definierten Art gelöst, das sich dadurch auszeichnet, daß die Einbauten in an sich
bekannter Weise in Abständen über die Länge des von starken Durchmesseränderungen
freien und an seinen Enden einen unverminderten Durchflußquerschnitt aufweisenden
Gasleitrohrs versetzt angeordnet sind.
-
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Einbauten in an sich
bekannter Weise auf verschiedene Resonatorfrequenzbereiche abgestimmt sind und vor
allem auch, daß die Öffnungen im Bereich der Schalldruckmaxima im Gasleitrohr angeordnet
sind.
-
Bei diesem erfindungsgemäßen Gasleitrohr sind in außerordentlich vorteilhafter
Weise nicht nur die wesentlichen Nachteile der bekannten Auspufftöpfe vermieden,
sondern es lassen sich auch durch Kombination verschiedener Einbauten für verschiedene
Frequenzbereiche hervorragende Dämpfungsleistungen trotz Aufrechterhaltung. eines
geringen Strömungswiderstands erreichen.`" Weitere hervorzuhebende Vorteile sind:
Das Gasleitrohr läßt sich in einem begrenzten Einbauraum installieren, ist einfach
und "aus billigem Metallrohrherstellbar, kann in Leichtbauweise angefertigt werden,
sein Gewicht ist gleichmäßig über die Gesamtlänge des Gasrohrs verteilt, und die
Korrosionsanfälligkeit des Gasleitröhvs. ist insbesondere wegen des fehlenden Kontakts
zwischen Resonator und Gasleitrohr wesentlich verringert. Außerdem läßt sich das
Gasleitrohr aus austauschbaren Schalldämpferteilen zusammensetzen.
-
Besonders vorteilhaft ist bei dem erfindungsgemäßen Gasleitrohr auch
die Temperaturunabhängigkeit der Resonanzankopplung. Im Temperaturbereich von 22,2
bis 260° C ändert sich nämlich je 55°C Temperaturänderung die Grundfrequenz von
37,7 Hz um 3 Hz, die zweite Harmonische von 75,5 Hz um 6 Hz; die dritte Harmonische
von 113,1 Hz um 9 Hz usw. Demgemäß ändern sich die harmonischen Frequenzen des Gasleitrohrs
bei normalen Temperaturen der Kfz-Abgase in einem Bereich von 93° C bei kaltem Motor
bis zu etwa 927° C bei heißem Motor in den unteren Frequenzbereichen sehr stark.
-
Die mit den Frequenzen der Resonatoren in Einklang zu bringende Grundresonanzfrequenz
der Abgasleitung hängt ebenso wie die Frequenz eines Resonators von der Schallgeschwindigkeit
ab; die ihrerseits mit der Temperatur schwankt, so daß Temperaturunterschiede zwischen
den Resonatoren und den Abgasen die maximale Dämpfung beeinträchtigen, was erfindungsgemäß
vermieden ist, da diese Temperaturunterschiede nicht auftreten, weil die Resonatoren
im Abgasstrom selbst angeordnet sind.
-
Besonders hervorzuheben ist noch, daß der Frequenzbereich unter 200
Hz, in dem die Zündfrequenz liegt, erfindungsgemäß ausgezeichnet gedämpft werden
kann, indem der entsprechende Resonator in -Kombination mit anderen, für andere
Frequenzbereiche brauchbaren Resonatoren eingebaut. wird. Weiterhin ist es sehr
vorteilhaft, daß die erfindungsgemäßen Dämpfungseinbauten untereinander kombiniert
oder auch mit anderen Dämpfungsmitteln zusammen verwendet werden können. Damit wird
die Vielseitigkeit der Anordnung erhöht. Eine maximale thermische und akustische
Verbindung mit dem Abgasstrom wird erreicht, wenn die Einbauten axial symmetrisch
im Gasleitrohr angeordnet werden.
-
Die Erfindung wird im folgenden noch näher an Hand von in den Figuren
der Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt F i g. 1
eine teilweise aufgeschnittene, längengetreue erfindungsgemäßen schalldämpfenden
Abgasleitrohrs, F i g. 2 einen vergrößerten Längsschnitt durch ein Teilstück des
in F i g. 1 dargestellten Abgasleitrohrs, bei dem dieses aus ineinandergefügten
Rohrabschnitten besteht, F i g. 3 einen lotrechten Schnitt längs der Linie 3-3 in
Fi g. 2, F i g. 4 einen vergrößerten Längsschnitt durch ein anderes Teilstück des
in F i g. 1 dargestellten Abgas-Ieitrohrs, F i g. 5 einen Längsschnitt durch ein
Teilstück einer anderen Ausführungsform der Einbauten im Gasleitrohr, F i g. 6 einen
lotrechten Schnitt längs der Linie 6-6 in F i g. 5, F i g. 7 einen Längsschnitt
durch ein Teilstück einer weiteren Ausführungsform einer der Einbauten und F i g.
8 einen lotrechten Schnitt längs der Linie 8-8 in F i g. 7.
-
Das in F i g.1 dargestellte, über einen Befestigungsflansch 14 am
einen Ende eines Abgassammlers 12 angebrachte und am entgegengesetztenEnde offene
Gasleitrohr 10 hat zweckmäßigerweise den gleichen Außendurchmesser wie die
Abgas- und Austrittsleitungen herkömmlicher Abgasanlagen, der bei Lastkraftwagen,
Autobussen und anderen Großfahrzeugen z. B. 44,5 bis 63,5 mm oder auch 101,5 mm
betragen kann. Das Gasleitrohr 10 kann entweder aus einem einzigen Stück
oder zur Erleichterung des Ein-und Ausbaus der Dämpferglieder aus mehreren kurzen
ineinandergefügten Rohrlängen bestehen (F i g. 2).
-
Im Gasleitrohr 10 (F i g. 1) sind im Weg der durch dieses hindurchströmenden
Abgase mehrere Niederfrequenzdämpfungseinbauten 16 und Hochfrequenzdämpfungseinbauten
18 angeordnet, von denen jede der Einbauten 16 gemäß F i g. 2 eine an beiden Enden
durch Stirnwände 22 bildende, einwärts gerichtete Flansche verschlossene längliche,
aus einem Metallrohr 20 bestehende Wand aufweist. Im Innern
des
Metallrohrs 20 ist eine das Metallrohr 20 in zwei längliche Resonanzräume
26 aufteilende Reflexionsplatte 24 vorgesehen. Jeder Resonanzraum
26 ist mit einem eine Resonanzeinkehlung bildenden Rohrstück 28 versehen,
dessen eines Ende zum Resonanzraum 26 hin und dessen anderes Ende zur durch
das Gasleitrohr 10 gebildeten Gasströmungsleitung hin offen ist. Auf diese
Weise steht jeder Resonanzraum 26 über sein Rohrstück 28 unmittelbar mit
den durch das Gasleitrohr 10 strömenden Abgasen in Verbindung, so daß die
durch die Rohrstücke und Resonanzräume gebildeten Resonatoren das Geräusch der Abgas-Schallwellen
dämpfen.
-
Die Einbauten 16 im Gasleitrohr 10 sind mit Hilfe von zweckmäßigerweise
aus gestanzten Blechteilen bestehenden Halterungen 30 befestigt, die starr
mit den einzelnen schalldämpfenden Einbauten 16 und an der Wand des Gasleitrohrs
10 und im Abstand von dieser befestigt sind. Die Einbauten 16 werden
so außer Berührung und mit etwaigen korrodierenden Flüssigkeiten gehalten, die sich
aus den Abgasen an der Rohrwandung niederschlagen, so daß diese aus dem Rohr ablaufen
können. Weiterhin ordnen die Halterungen 30 die Einbauten unmittelbar im
Abgas-Strom an, so daß sie in thermischem Kontakt mit dem Gasstrom stehen und dessen
Temperaturänderungen mitmachen.
-
Damit das durch die Resonanzräume 26 und Rohrstücke
28 gebildete Resonatorensystem einen größeren Bereich der Schallwellenfrequenzen
der Abgase dämpfen kann, müssen einzelne Resonatoren aufvorgegebene Frequenzen oder
Frequenzbänder (Resonatorfrequenz f) abgestimmt werden, die zumindest ungefähr mit
der Grundresonanzfrequenz der Abgasleitung übereinstimmen, was durch Einstellung
der Durchlässigkeit C0 der Resonatoreinkehlungen in Abhängigkeit vom Rauminhalt
V, des zugehörigen Resonanzraums vorgenommen werden kann. Bei Resonatoren mit rohrförmiger
Einkehlung kann die Abstimmung nach folgender Formel berechnet werden:
worin C die Schallgeschwindigkeit in Meter je Sekunde bei der Temperatur des Mediums
bedeutet und Co sich nach der Formel
berechnet, in der r den Radius und h die Länge der Einkehlung bedeutet.
Bei der Berechnung von Co für eine nichtrohrförmige Einkehlung sind der Faktor n
r2 durch die Querschnittsfläche der Einkehlung und der Summand n r durch den mittleren
Radius des Querschnitts der Einkehlung zu ersetzen. An Hand dieser Formeln können
die Länge und die Querschnittsfläche der Resonatoreinkehlungen und der Rauminhalt
der Resonanzkammern aufeinander eingestellt werden, um zu erreichen, daß die Resonatoren
die Schallwellen in einem gewissen Bereich um die gewünschte Frequenz dämpfen.
-
Die Resonatoren der Einbauten 16 werden vorzugsweise jeweils so abgestimmt,
daß die lästigen Harmonischen der durch die Rohrleitung strömenden Gase gedämpft
werden, und an den Bereichen maximalen Schalldrucks angeordnet. Die Abstände dieser
Druckmaxima von einem Ende der Leitung sind Bruchteile L der Rohrleitungslänge,
die sich nach der Formel
berechnen, in der n die Nummer der.Harmonischen, auf die der Resonator abgestimmt
ist, und m eine ganze Zahl zwischen 1 und n einschließlich bedeutet: Bei Abstimmung
auf die 2. Harmonische soll sich die Öffnung der Einkehlung des Resonators also
in Abständen von einem Viertel oder drei Viertel der Rohrleitungslänge vom einen
Ende der Leitung befinden. Jeder Resonator hat den stärksten Dämpfungseffekt, wenn
sich die Öffnung seiner Einkehlung an einem dieser Druckmaxima seiner Frequenz befindet.
Jedoch wurde festgestellt, daß die Wirksamkeit eines Resonators nicht weniger als
90% beträgt; wenn sich die Öffnung seiner Einkehlung nicht weiter als ein Zwanzigstel
der Länge der das Druckmaximum erzeugenden Schallwelle vom tatsächlichen Druckmaximum
entfernt befindet.
-
Bei Verwendung von zwei Resonatoren zur Dämpfung einer bestimmten
Harmonischen sollten diese mit ihren Einkehlungsöffnungen neben: den jeweiligen
Druckmaxima der betreffenden Harmonischen oder neben einem einzigen derartigen Druckmaximum
angeordnet sein.
-
Die Einbauten können so angeordnet werden, daß die Resonatoreinkehlung
nach außen aus diesem heraus in einen gekrümmten Abschnitt hinein und mit ihrem
offenen Ende bis an die Stelle des betreffenden Druckmaximums ragt (vgl.
27 in F i g. 1).
-
Die gegenseitige Lage der Einbauten 16 beeinflußt außerdem
die Wirksamkeit der Resonatoren im Hinblick auf die zu dämpfenden Frequenzen. Durch
die Anordnung von zwei Einbauten 16 dicht nebeneinander gemäß F i g. 7 bildet der
Raum zwischen den einander gegenüberliegenden Stirnwänden 22 eine gemeinsame
ringförmige Verlängerung der Einkehlung 28. Hierdurch erhöht sich die wirksame
Länge der Einkehlungen 28, so daß die einander gegenüberliegenden Resonatoren
niedrigere Frequenzen dämpfen, als wenn ihre Wände 22 weiter auseinanderliegen
würden. Wenn die Resonatoren zu nahe aneinander angeordnet werden, wird der Abstand
zwischen ihren gegenüberliegenden Stirnwänden zu gering für die erforderliche akustische
Ankopplung, was den Dämpfungswirkungsgrad dieser Resonatoren merklich verringert.
Wenn andererseits die gegenüberliegenden Stirnwände- beträchtlich auseinanderliegen,
beeinflussen sich die Einkehlungen der Resonatoren nicht gegenseitig, und beide
Resonatoren arbeiten unabhängig voneinander.
-
Die in F i g. 2 dargestellten Einbauten 16 mit verlängerten
Rohreinkehlungen 28 sind zur Dämpfung der Frequenzen unter 300 Hz, dagegen
die in F i g. 4 dargestellten Einbauten 18 für Frequenzen über 1500 Hz besonders
gut geeignet. Die Einbauten 18
bestehen aus einem an beiden Enden verschlossenen
länglichen Rohr 34 aus Metall, das über eine Halterung 36 im Gasleitrohr
10 befestigt ist, in dem sich poröses Fasermaterial 38, beispielsweise
Asbestfaser oder rostfreie Stahlwolle, als die Kammer füllendes poröses Polster,
eine die Wandungen der Kammer auskleidenden hohlen Hülse oder in jeder anderen geeigneten
Form befindet und das mit einer Vielzahl
von Öffnungen 39 versehen
ist, wodurch es zu mindestens 30'% offen ist. Die öffnungen 39 entsprechen den in
F i g. 2 dargestellten Rohrstücken 28 und besitzen wegen ihrer geringfügigen Länge
eine äußerst große Durchlaßfähigkeit, so daß die Einbauten 18 hauptsächlich die
sehr hohen Schallfrequenzen von über 1500 Hz dämpfen.
-
Die in F i g. 4 dargestellten Einbauten 18 dämpfen breite Hochfrequenz-Schallwellenbänder
mit einer großen Anzahl verhältnismäßig dicht liegender Druckmaxima, so daß die
axiale Anordnung dieser Einbauten weniger kritisch als die Anordnung der Einbauten
zum Dämpfen von niederfrequenten Schallwellen ist und diese Einbauten unmittelbar
neben dem Austrittsende des Gasleitrohrs stromab von den Einbauten für niederfrequente
Schallwellen angeordnet werden können. Hierdurch bleibt der übrige Teil der Rohrleitung
für den Einbau der Niederfrequenzeinbauten an den Stellen der Druckmaxima dieser
zugehörigen Frequenzen frei.
-
Bei dem in F i g. 5 und 6 dargestellten Gasleitrohr sind im Inneren
eines Außenrohrs 40 ein oder mehrere Einbauten angeordnet, von denen jeder aus einem
länglichen, an seinem Ende verschlossenen und über eine Halterung 44 um und im Abstand
vom Rohr 40 befestigten Rohr 42 besteht, in dem zweckmäßigerweise
mehrere Reflexionsplatten 45 angeordnet sind, wodurch dieses in mehrere in axialer
Richtung voneinander getrennte Resonanzkammern 46 aufgeteilt wird, die über eine
Anzahl um den Umfang des Rohrs 42 und über die Länge dieser Kammern verteilter,
Resonanzeinkehlungen darstellender öffnungen 48, welche vorzugsweise durch Einschnitte
im Rohr 42 und durch Abbiegen der so erhaltenen Lappen 49 von der Rohrwand
gebildet werden, mit dem Abgas in Verbindung stehen. Die Leitfähigkeit der Resonanzeinkehlungen
48, 49 bewirkt wegen der eingeschnittenen Ausführung, daß Schallwellenfrequenzen
im Bereich von 300 bis 1500 Hz gedämpft werden.
-
Bei dem in den F i g. 7 und 8 dargestellten Gasleitrohr sind in einem
Außenrohr 52 und im Abstand von diesem und voneinander Paare von Einbauten 54 über
Halterungen 62 angeordnet, von denen jedes aus einem länglichen, am Ende bei 58
verschlossenen Rohr 56 besteht. Das andere Ende ist mit einem Loch oder mehreren
Löchern 60 versehen, welche die Einkehlungen für die durch das Rohr 56 gebildete-Resonanzkammer
darstellen.
-
Die Einbauten 54 können mit ihren durchlöcherten Stirnseiten dicht
einander gegenüberliegend paarweise angeordnet sein, wobei der Zwischenraum zwischen
gegenüberliegenden Stirnflächen eine gemeinsame Verlängerung der Einkehlungen der
beiden Resonatoren unter Vergrößerung der wirksamen Länge dieser Einkehlungen bildet.
Die Einbauten 54 wirken dann auf einen niedrigeren Frequenzbereich als denjenigen
ein, auf den sie für sich abgestimmt sind, und dämpfen dann Frequenzen im Bereich
von 100 bis 700 Hz, wobei die Frequenz dieses Bereichs, auf welche sie in erster
Linie ansprechen, von der Größe der Kammern der Rohre 56, der Größe und Anzahl der
Löcher 60 und dem Abstand zwischen den einander gegenüberliegenden Stirnflächen
abhängt. Falls nur die wirksame Länge der Einkehlung des einen der Einbauten verändert
werden soll, werden die beiden Einbauten so angeordnet, daß sich die durchlöcherte
Stirnfläche des einen neben der undurchlöcherten Stirnfläche des anderen befindet.
Die Einbauten 54 können für sich eingebaut werden, und/oder es können sich die Löcher
in den Seitenwänden statt in den Stirnwänden befinden. Der Grad der Durchlöcherung
der Einbauten 54 ist jedoch normalerweise wesentlich geringer als bei den in F i
g.1 und 4 dargestellten Einbauten 18.
-
Die Querschnittsfläche der Einbauten beträgt etwa 25 bis etwa 75%
der Querschnittsfläche des Gasleitrohrs im Bereich dieser Glieder, so daß diese
die erforderliche Dämpfung ohne unerwünschte Behinderung des Abgasstroms durch das
Rohr und Hervorbringung damit zusammenhängender übermäßiger Gegendrücke bewirken.
-
Durch die kombinierte Verwendung beispielsweise der in F i g. 2 und
4 dargestellten Einbauten zur Dämpfung extrem niedriger bzw. extrem hoher Frequenzbereiche
und der in F i g. 5 und 7 dargestellten Einbauten zur Dämpfung der mittleren Frequenzbereiche
kann ein weiterer Frequenzbereich gedämpft werden. Eine kombinierte Einheit kann
beispielsweise durch Einbau der in den F i g. 2, 4 und 5 dargestellten Einbauten
in bestimmten axialen Abständen voneinander in einem einzigen Rohrstück geschaffen
werden, das in ein Außenrohr eingebaut wird.