DE19500781B4

DE19500781B4 - Abgasanlage für Verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE19500781B4
Application number: DE19500781A
Authority: DE
Inventors: Jean-Michel Dr. Coulon
Original assignee: Heinrich Gillet GmbH
Current assignee: Tenneco GmbH
Priority date: 1994-02-01
Filing date: 1995-01-13
Publication date: 2004-09-23
Anticipated expiration: 2015-01-14
Also published as: DE19500781A1; DE9401610U1

Abstract

Abgasanlage mit zwei Vorrohren (1, 3) unterschiedlicher Länge (l1, l3), die sich an einer Sammelstelle (2) vereinigen, für Verbrennungsmotoren, die Störschall mit Harmonischen (H) der Motordrehfrequenz (F) erzeugen entsprechend der Gleichung Hx = 0,5·N·F (N = 1, 2, 3...), dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt (S3) des Längeren (l3) Vorrohrs (3) größer ist als der Querschnit (S1) des kürzeren (l1) Vorrohrs (1).

Description

Die Erfindung betrifft Abgasanlagen für Verbrennungsmotoren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zur Senkung des Abgasgeräusches werden derzeit überwiegend Schalldämpfer eingesetzt, die auf den physikalischen Prinzipien der Reflexion oder Absorption basieren. Je nach Motorvariante, Ventiltechnik und Zündfolge müssen die der Motordrehzahl entsprechenden Frequenzen und/oder deren Harmonische gedämpft werden. Gleichzeitig besteht die Forderung, dass Gewicht und Volumen der gesamten Abgasanlage und insbesondere des Schalldämpfers so gering wie möglich bleiben müssen.

Aus der DE 41 36 206 A ist eine Abgasanlage bekannt, die zwei Vorrohre mit je einem eingesetzten Katalysator besitzt. Die Vorrohre vereinigen sich hinter dem Katalysator. Hinter der Vereinigungsstelle strömen die Abgase zunächst durch einen Vorschalldämpfer mit relativ kleinem Volumen. Dieser Vorschalldämpfer erzeugt mit zunehmender Last und entsprechend steigendem Abgas-Volumenstrom einen hohen Abgasgegendruck, der die Motorleistung vermindert. Um dies zu verhindern, wird vorgeschlagen, parallel zum Vorschalldämpfer ein Bypassrohr zu verlegen, in das eine Absperrklappe eingebaut ist. Diese Klappe soll bei einer Fahrgeschwindigkeit von z. B. < 30 km/h geschlossen bleiben, bei größeren Geschwindigkeiten dagegen öffnen. Dadurch wird zwar der Abgasgegendruck deutlich reduziert, gleichzeitig steigt aber der Störgeräuschpegel deutlich an. Das ist unbefriedigend.

Eine Besonderheit stellen die 6- und 8-Zylinder-Motoren dar, deren Abgase in zwei Vorrohren abgeleitet werden, die an einer Sammelstelle, üblicherweise vor dem Katalysator bzw. dem Vorschalldämpfer, vereinigt sind. Sind Querschnitt und Länge der beiden Vorrohre identisch, ergeben sich günstige akustische Verhältnisse, da bestimmte Harmonische durch Interferenz beseitigt werden. Sind die beiden Vorrohre jedoch ungleich, treten nicht nur geradzahlige, sondern ungeradzahlige Harmonische der Grundfrequenz auf, teilweise sogar subharmonische Frequenzen.

Sind bei einem 6-Zylinder Reihenmotor oder einem V6-Motor die Maße der Vorrohre identisch, treten im Abgas außer der der Motordrehzahl entsprechenden Grundfrequenz F harmonische Frequenzen H auf, die folgender Gleichung genügen: H = 3·N·F (N = 1, 2, 3...). Sind die Maße der Vorrohre ungleich, enthält das Abgas harmonische Frequenzen H gemäß der Gleichung H = 0,5·N·F.

V8-Motoren, bei denen die Zylinder der beiden Zylinderbänke abwechselnd und mit gleichen Zündwinkeln gezündet werden, erzeugen bei identischen Maßen der Vorrohre im Abgas harmonische Frequenzen gemäß der Gleichung H = 4·N·F. Sind die Maße der Vorrohre ungleich, werden harmonische Frequenzen gemäß der Gleichung H = 2·N·F erzeugt.

V8-Motoren der modernsten Generation werden zwecks verbesserter Laufruhe mit ungleichen Zündwinkeln und einer unsymmetrischen Zündfolge der beiden Zylinderbänke gezündet. Sind die Maße der beiden Vorrohre identisch, enthält das Abgas Störschall mit harmonischen Frequenzen gemäß der Gleichung H = 4·N·F. Sind die Vorrohre jedoch ungleich, enthält das Abgas Störschall mit harmonischen Frequenzen gemäß der Gleichung H = 0,5·N·F. Dabei weisen insbesondere die harmonischen Frequenzen mit der 1,5-fachen, 2,5-fachen und 4-fachen Grundfrequenz besonders hohe Amplituden auf. Dies und das Auftreten von subharmonischem Störschall stellt extrem hohe Anforderungen an die Schalldämpfer.

Während bei Reihenmotoren oder auch bei längs eingebauten V-Motoren identische Vorrohre möglich und üblich sind, ist dies bei quer eingebauten Motoren erschwert und mit dem zusätzlichen Nachteil verbunden, dass sich die Abgase in der Startphase des Motors in dem aus akustischen Gründen verlängerten Vorrohr stärker abkühlen als nötig, was zu einem verzögerten Anspringen des vorhandenen Abgaskatalysators führt.

Hier setzt nun die vorliegende Erfindung ein, der die Aufgabe zugrunde liegt, eine Abgasanlage mit zwei Vorrohren unterschiedlicher Länge anzugeben, mit deren Hilfe auch unter derart ungünstigen Umständen eine erhebliche Störschallreduzierung, insbesondere bei der 1,5-fachen Harmonischen der Grundfrequenz erreicht werden kann.

Diese Aufgabe wird gelöst durch Abgasanlagen mit Merkmalen gemäß den Ansprüchen 1, 3 oder 5.

Den erfindungsgemäßen Lösungen liegt das gemeinsame physikalische Prinzip zugrunde, die akustischen Längen der Vorrohre zu egalisieren, ohne die mechanischen Längen zu verändern. Dabei basiert die Lösung gemäß Anspruch 1 auf dem Ansatz, an der Sammelstelle, an der die beiden Vorrohre sich vereinigen, gleiche Druckamplituden herzustellen, und zwar bei der am meisten störenden Harmonischen, was meist die 1,5-fache Harmonische ist. Die Lösung gemäß Anspruch 3 basiert auf dem Prinzip, die Fortpflanzung des Störschalls im kürzeren Vorrohr angemessen zu verzögern. Die Lösung gemäß Anspruch 5 stellt eine Kombination dieser beiden Lösungsansätze dar.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche, auf die hiermit Bezug genommen wird.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung in Form zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen

1 rein schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Abgasanlage,

2 rein schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel einer Abgasanlage,

3 Meßergebnisse bei der 1,5-fachen (obere Kurven) und 3-fachen (untere Kurven) Harmonischen der Grundfrequenz an einer Anlage gemäß 1,

4 Meßergebnisse bei der 1,5-fachen (obere Kurven) und 3-fachen (untere Kurven) Harmonischen der Grundfrequenz an einer Anlage gemäß 2 und

5 Meßergebnisse bei der 1,5-fachen (obere Kurven) und 3-fachen (untere Kurven) Harmonischen der Grundfrequenz an einer Abgasanlage, kombiniert aus den 1 und 2.

1 zeigt in rein schematischer Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel einer Abgasanlage für einen Motor mit zwei ungleich langen Vorrohren 1, 3. Jedes Vorrohr 1, 3 besitzt einen Motoranschlußflansch 6.1, 6.3. Beide Vorrohre 1, 3 vereinigen sich an einer Sammelstelle 2, hinter der wenigstens ein Schalldämpfertopf oder Abgas-Katalysator 4 und schließlich ein Endrohr 5 angeordnet sind.

Das kürzere Vorrohr 1 besitzt die Länge l1 und den Querschnitt S1, das Längere Vorrohr 3 die Länge l3 und den Querschnitt S3.

Ein erster Dimensionierungsansatz geht davon aus, daß Motor, Anschlußflansche und Vorrohre akustische Quellen bilden, die Störschall abgeben, in dem harmonische Frequenzen H zu der der Motordrehzahl entsprechenden Grundfrequenz F enthalten sind entsprechend H = 1,5·N (6-Zylinder-Motor) oder H = 0,5·N (V8-Motor mit ungleicher Zündfolge), und daß durch konstruktive Maßnahmen jedoch ohne Veränderung der mechanischen Längen l1, l3 der Vorrohre 1, 3 an der Sammelstelle 2 dieselben Druckverhältnisse hergestellt werden sollen, wie sie bei identischen Maßen der Vorrohre herrschen würden, da dann im Abgas ja nur noch harmonische Frequenzen gemäß der Formeln H = 3·N·F (6-Zylinder-Motoren) bzw. H = 4·N·F (8-Zylinder-Motoren) enthalten wären. Die Berechnung für die am meisten störende 1,5-fache Harmonische führt bei diesem Lösungsansatz zu folgender Beziehung zwischen Länge und Querschnitt der Vorrohre:

3 zeigt die Meßergebnisse einer nach diesem Prinzip modifizierten Abgasanlage (gestrichelte Kurven) im Vergleich zu einer nichtmodifizierten Abgasanlage (durchgezogene Kurven), wobei das obere Kurvenpaar die Meßergebnisse bei der 1,5-fachen Harmonischen der Grundfrequenz zeigt, das untere Kurvenpaar bei der 3-fachen Harmonischen der Grundfrequenz. Die beiden Vorrohre 1, 3 besaßen eine Längendifferenz von 400 mm und Durchmesser von jeweils 46,4 mm (nichtmodifiziert) bzw. von 46,4 mm und 56 mm (modifiziert). Man erkennt, daß im Drehzahlbereich zwischen 1.500 und 3.000 pro Minute bei der 1,5-fachen Harmonischen eine Schallreduzierung von 3 bis bdb (lin.) eintritt. Man erkennt weiterhin, daß bei der 3-fachen Harmonischen unterhalb einer Drehzahl von ca. 2000 pro Minute ebenfalls eine Schallreduzierung eintritt.

2 zeigt eine Ausführungsform, bei der an das kürzere Vorrohr 1 seitlich ein Resonanzraum 7 mit dem Volumen V angekoppelt ist. Die Ankoppelstelle des Resonanzraums 7 hat von der Sammelstelle 2 den Abstand l2. Dieser berechnet sich nach der Formel l2 = S1·(l32 – l12)/2·V

4 zeigt die Meßergebnisse mit einem Resonanzraum 7, dessen Volumen V gleich 2 Liter betrug, wobei die Vorrohre 1, 3 eine Längendifferenz von 400 mm und gleiche Durchmesser von 46,4 mm besaßen. Man erkennt, daß bei der 1,5-fachen Harmonischen bei Umdrehungen zwischen 1.000 und 6.000 pro Minute eine Schallreduzierung von 2 bis 5 db (lin.) erreicht wird. Bei der 3-fachen Harmonischen ergibt sich bei Drehzahlen oberhalb 2.300 pro Minute ebenfalls eine Schallreduzierung.

5 zeigt die Meßergebnisse einer Abgasanlage, bei der die in den 1 und 2 dargestellten Prinzipien kombiniert waren. Die Längendifferenz der Vorrohre 1, 3 betrug wieder 400 mm, der Resonanzraum 7 hatte ein Volumen V = 2 Liter, der Durchmesser des kürzeren Vorrohrs 1 betrug 46,4 mm, der Durchmesser des längeren Vorrohrs 3 betrug 56 mm. Der Abstand l2 blieb unverändert. Man erkennt, daß bei der 1,5-fachen Harmonischen über den breiten Bereich von Drehzahlen zwischen 1.000 und über 6.000 pro Minute eine Schallreduzierung zwischen 5 und 11 db (lin.) erreicht wird. Auch bei der 3-fachen Harmonischen ist noch eine gewisse Schallreduktion erkennbar.

Claims

Abgasanlage mit zwei Vorrohren (1, 3) unterschiedlicher Länge (l1, l3), die sich an einer Sammelstelle (2) vereinigen, für Verbrennungsmotoren, die Störschall mit Harmonischen (H) der Motordrehfrequenz (F) erzeugen entsprechend der Gleichung Hx = 0,5·N·F (N = 1, 2, 3...), dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt (S3) des Längeren (l3) Vorrohrs (3) größer ist als der Querschnit (S1) des kürzeren (l1) Vorrohrs (1).
Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnitte (S1, S3) der beiden Vorrohre (1, 3) nach der Gleichung
bei H_0,5 = 0,5·F dimensioniert sind.
Abgasanlage mit zwei Vorrohren (1, 3) unterschiedlicher Länge (l1, l3), die sich an einer Sammelstelle (2) vereinigen, für Verbrennungsmotoren, die Störschall mit Harmonischen (H) der Motordrehfrequenz (F) erzeugen entsprechend der Gleichung Hx = 0,5·N·F (N = 1, 2, 3...), dadurch gekennzeichnet, daß an das kürzere Vorrohr (1) ein Resonanzraum (7) seitlich angekoppelt ist.
Abgasanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnitte (S1, S3) der beiden Vorrohre (1, 3) gleich sind und daß der Abstand (l2) der Ankoppelstelle des Resonanzraums (7) von der Sammelstelle (2) nach der Formel l2 = S1·(l32 – l12)/2·V bestimmt ist.
Abgasanlage mit zwei Vorrohren (1, 3) unterschiedlicher Länge (l1, l3), die sich an einer Sammelstelle (2) vereinigen, für Verbrennungsmotoren, die Störschall mit Harmonischen (H) der Motordrehfrequenz (F) erzeugen entsprechend der Gleichung Hx = 0,5·N·F (N = 1, 2, 3...), dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt (S3) des längeren (l3) Vorrohrs (3) größer ist als der Querschnitt (S1) des kürzeren (l1) Vorrohrs (1) und daß an das kürzere Vorrohr (1) ein Resonanzraum (7) seitlich angekoppelt ist.