DE19503322C2 - Schalldämpfer mit variabler Dämpfungscharakteristik - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Schalldämpfer mit variabler Dämpfungscharakteristik für pulsierende Gase gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein Schalldämpfer mit variabler Akustik ist bekannt aus der US 20 72 372. Die bekannte Konstruktion verwendet als Schließorgan einen Drehteller, der mit der Kolbenstange der Überdruckdose über ein Schub-Kurbel-Getriebe verbunden ist. Ein solcher, aus mehreren Teilen bestehender Antrieb ist umständlich und verschleißanfällig. Wegen der Sinus-Funktion eines solchen Schub-Kurbel-Getriebes besteht eine äußerst ungünstige Abhängigkeit zwischen dem Druckverlust im Schalldämpfer und dem Grad der Öffnung des Rohrquerschnitts.

Ein weiterer Nachteil ist, dass die Kolbenstange eine Schwenkbewegung ausführen müsste, um der Kreisbewegung der Kurbel folgen zu können, was die offenbarte Konstruktion jedoch nicht erlaubt.

Ein dritter, sehr wesentlicher Mangel der bekannten Konstruktion ist dadurch bedingt, dass sich das Schließorgan am Ausgang des Schalldämpfers befindet. Wie jedes andere Hindernis in einer Gasströmung erzeugt auch das Schließorgan Strömungsrauschen. Dieses Strömungsrauschen gelangt mit den den Schalldämpfer verlassenden Abgasen ungedämpft ins Freie.

Diese sowie weitere Detailfehler der vorbekannten Schalldämpferkonstruktion belegen, dass es sich nur um einen papierenen Stand der Technik gehandelt hat, der die Fachwelt trotz bestehenden Bedürfnisses über ein halbes Jahrhundert nicht befruchten konnte.

Die DE 89 08 244 U1 zeigt einen Schalldämpfer mit zwei Endrohren. In das eine Endrohr ist ein linear beweglicher Ventilteller eingesetzt. Das Endrohr selbst ist dazu mit einem passenden konischen Ventilsitz ausgerüstet. Als Antrieb für den Ventilteller dient ein beidseitig verschlossenes Wellrohr, dessen Innenraum über eine Druckleitung mit dem Eingangsrohr des Schalldämpfergehäuses verbunden ist. Auf die Außenseite des Wellrohrs wirkt der Innendruck des Schalldämpfergehäuses.

Diese Konstruktion hat sich aus verschiedenen Gründen nicht bewährt. Zum einen sind Wellrohre relativ steife Gebilde, so dass bei den zur Verfügung stehenden geringen Drücken nur ein sehr geringer Hub erreicht werden konnte. Auch ist die mechanische Konstruktion sehr umständlich. Schließlich sitzt schon wie bei dem zuvor beschriebenen Schalldämpfer der Ventilteller im Ausgangsrohr des Schalldämpfergehäuses, so dass das von ihm hervorgerufene Strömungsrauschen den Schalldämpfer ungedämpft verlassen kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schalldämpfer mit variabler Dämpfungscharakteristik anzugeben, der ohne Steuergerät auskommt und nur eine einfache, betriebssichere Mechanik besitzt.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Schalldämpfer mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Der wesentliche Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in der Verwendung einer Überdruckdose, wobei als Steuerdruck der ganze, sich vor dem Schalldämpfer aufbauende Abgas-Gegendruck zur Verfügung steht. Dieser Druck ist direkt abhängig von der Gasmenge einerseits und dem Strömungswiderstand des Schalldämpfers andererseits, wobei der Strömungswiderstand bei geschlossenem Ventilteller höher ist als bei offenem. Das Öffnen und Schließen des Ventiltellers erfolgt nicht schlagartig, sondern kontinuierlich, so dass auch die akustischen Dämpfungseigenschaften sich kontinuierlich und nicht schlagartig ändern.

Bei Verwendung als Abgasschalldämpfer hinter Verbrennungsmotoren wirkt sich die Eigenschaft moderner Motorsteuerungen, im Schubbetrieb sowohl die Treibstoff- als auch die Luftzufuhr zum Motor abzustellen, sehr günstig aus, da mangels eines Gasdurchflusses der Steuerdruck verschwindet, worauf der Ventilteller schließt und die schalldämpfende Wirkung steigt.

Vorzugsweise ist die Druckleitung in die Kolbenstange integriert, wobei die Kolbenstange zusätzlich eine Verlängerung aufweisen kann, die in das mittels des Ventiltellers verschließbare Rohrende hineinragt. Bei dieser Version entfällt die gesonderte Druckleitung. Eine etwaige Verringerung des Steuerdrucks kann durch eine entsprechende Vergrößerung der Membranfläche in der Überdruckdose problemlos kompensiert werden.

Die Form des Ventiltellers lässt sich in weiten Grenzen variieren. Zum Beispiel lässt sich so die Gasströmung in bestimmte Bahnen lenken. Insbesondere besteht jedoch die Möglichkeit, die Abhängigkeit zwischen Hub und Spaltquerschnitt zu beeinflussen.

Es versteht sich, dass die durch den Ventilteller gegebene Umschaltmöglichkeit nur dann akustisch voll wirksam wird, wenn auch die übrigen Konstruktionsdetails des Schalldämpfers angepasst sind. Gemäß einer ersten Ergänzung hierzu befindet sich im Gehäuse wenigstens eine akustisch schalldichte Zwischenwand. Diese Zwischenwand wird durchdrungen sowohl durch das mit dem Ventilteller verschließbare Rohr als auch durch ein weiteres Rohr mit einem demgegenüber reduzierten Querschnitt. Dies ermöglicht es, die bekannte schalldämpfende Wirkung von starken Querschnittssprüngen im Verlauf der Abgasströmung auszunutzen, so dass der Schalldämpfer bei kleinen Motorleistungen sowie im Schubbetrieb die maximale Wirkung zeigt.

Dies wird noch unterstützt, indem das Innere des Schalldämpfergehäuses durch Zwischenwände in mehrere Kammern unterteilt wird, die als Absorptions-, Expansions-, Reflektions- oder Resonanzraum dimensioniert werden.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung in Form von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Schalldämpfers mit umschaltbarer Dämpfungscharakteristik,

Fig. 2 als Teilschnitt einen Ausschnitt aus einer ersten realisierten Ausführungsform,

Fig. 3 als Teilschnitt einen Ausschnitt aus einer zweiten realisierten Ausführungsform,

Fig. 4 einen Längsschnitt entlang der Linie IV-IV in Fig. 5 durch einen Abgasschalldämpfer mit umschaltbarer Dämpfungscharakteristik,

Fig. 5 einen Querschnitt entlang der Linie V-V durch den Abgasschalldämpfer der Fig. 4, und

die Fig. 6 und 7 einen Längs- bzw. Querschnitt durch einen weiteren Abgasschalldämpfer mit umschaltbarer Dämpfungscharakteristik.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Schalldämpfer mit variabler Dämpfungscharakteristik für pulsierende Gase. Ein Gaszuleitungsrohr 1 mündet in ein Schalldämpfergehäuse 2, in dem beispielhaft zwei Schalldämpferrohre 3.1, 3.2 integriert sind. Das Ende 4 des mit dem Gaszuleitungsrohr 1 verbundenen Schalldämpferrohrs 3.1 ist mittels eines Ventiltellers 5 verschließbar. Das andere Schalldämpferrohr 3.2 steht mit einem das Gas ableitenden Rohr 7 in Verbindung.

Die Betätigung des Ventiltellers 5 erfolgt mittels einer Kolbenstange 13 durch eine Membran 11 in einer Überdruckdose 10. Die Niederdruckseite der Membran 11 steht über eine Bohrung 16 mit der freien Atmosphäre in Verbindung. Eine Druckfeder 12 drückt Membran 11, Kolbenstange 13 und Ventilteller 5 auf das Rohrende 4.

Die Überdruckseite der Membran 11 steht über einen Druckanschluss 15 mit einer Druckleitung 6 in Verbindung, die vor dem Schalldämpfergehäuse 2 in das Gaszuleitungsrohr 1 mündet. Auf diese Weise steht der gesamte im Schalldämpfer erzeugte Druckabfall als Steuerdruck zur Verfügung, so dass die Überdruckdose 10 relativ klein ausgeführt werden kann.

Eine temperaturfeste Dichtung 14 dichtet die Kolbenstange 13 gegen das Gehäuse 2 gasdicht ab. Dadurch wird der Gefahr vorgebeugt, dass bei geschlossenem Rohrende 4 Gas, z. B. heißes Abgas, vom Gaszuleitungsrohr 1 über die Druckleitung 6 in die Druckdose 10 und durch die Kolbenstangendurchführung in das Gehäuse 2 strömt.

Fig. 2 zeigt in vergrößertem Maßstab eine erste Ausführungsform des anhand der Fig. 1 erläuterten Prinzips. Man erkennt im Teilschnitt die Überdruckdose 10 mit Membran 11, Feder 12, Kolbenstange 13, Steuerdruckanschluss 15 und Druckentlastungsöffnung 16, angebaut an das Schalldämpfergehäuse 2. Der Ventilteller 5' am Ende der Kolbenstange 13 ist strömungsgünstig als Glocke geformt und verschließt das Rohrende 4 je nach Höhe des Steuerdrucks mehr oder weniger. Da der Steuerdruck vom Strömungswiderstand im Schalldämpfer, der Strömungswiderstand von der Position des Ventiltellers 5' abhängt, öffnet und schließt der Ventilteller 5' nicht schlagartig, sondern allmählich, so dass sich auch die Dämpfungscharakteristik allmählich ändert.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform. In diesem Fall ist die Druckleitung 6' in die Kolbenstange 13 integriert, die ihrerseits eine Verlängerung 13' besitzt, die weit in das Schalldämpferrohr 3.1 hineinragt. Dank dieser Konstruktion entfällt eine externe Druckleitung. Eine etwaige Reduzierung der als Steuerdruck zur Verfügung stehenden Druckdifferenz wird durch eine entsprechende Vergrößerung der Membranfläche kompensiert.

Die Fig. 4 und 5 zeigen einen Längs- bzw. Querschnitt durch einen Abgas- Schalldämpfer für Verbrennungsmotoren, dessen Dämpfungscharakteristik sich mit Hilfe von Überdruckdose 10 und Ventilteller 5' selbsttätig ändert. Das Innere des Gehäuses 2 ist durch zwei Zwischenwände 22, 24 in drei Kammern 21, 32, 25 unterteilt. Die eine Zwischenwand 22 ist akustisch schalldicht, die andere Zwischenwand 24 ist perforiert. Von dem mit dem Abgaszuleitungsrohr 1 verbundenen und am Ende mittels Ventilteller 5 verschließbaren Schalldämpferrohr 3.1 zweigt ein kurzes Rohr 3.3 ab. Dieses hat einen reduzierten Querschnitt und mündet in die erste Kammer 21, die als Expansionskammer dimensioniert ist. Ein Abgasrohr 3.4 mit reduziertem Querschnitt durchdringt parallel zu dem mittels Ventilteller 5 verschließbaren Rohr 3.1 die akustisch dichte Zwischenwand 22 und mündet in die dritte Kammer 25.

Ist wie in der Zeichnung dargestellt das Rohr 3.1 durch den Ventilteller 5 verschlossen, strömt das Abgas durch das Rohr 3.3 in die Expansionskammer 21, durch das Rohr 3.4 in die dritte Kammer 25, durch die perforierte Zwischenwand 24 in die mittlere Kammer 23, um dann in ein Rohr 3.2 einzutreten und über das Endrohr 7 das Schalldämpfergehäuse 2 zu verlassen.

Ist der Ventilteller 5 geöffnet, strömt das Abgas über das Rohr 3.1 in die dritte Kammer 25, durch die perforierte Zwischenwand 24 in die mittlere Kammer 23 und verlässt das Schalldämpfergehäuse 2 wieder über das Rohr 3.2 und das Endrohr 7.

Die Fig. 6 und 7 zeigen wiederum einen Längs- bzw. Querschnitt durch einen weiteren Schalldämpfer für Verbrennungsmotoren mit sich selbsttätig ändernder Dämpfungscharakteristik. Hier sind insgesamt drei Zwischenwände 32, 43, 36 vorgesehen, die das Innere des Gehäuses 2 in vier Kammern 31, 33, 35, 37 unterteilen. Die beiden endseitigen Kammern 31, 37 sind als Expansionskammern, die beiden mittleren Kammern 33, 35 als Absorptionskammern dimensioniert und dementsprechend mit schallabsorbierendem Material gestopft. Der Ventilteller 5 verschließt hier nicht das mit dem Abgaszuführungsrohr 1 verbundene Rohr 3.4, sondern ein integriertes Rohr 3.1. Zu diesem liegt parallel wiederum ein integriertes Rohr 3.3 mit reduziertem Querschnitt, welches die schalldämpfende Wirkung bei niedrigen Motorleistungen sowie im Schubbetrieb erhöht. Diese Ausführungsform eignet sich besonders für Überdruckdosen 10 mit externer Druckleitung 6.

Claims (8)

1. Schalldämpfer mit variabler Dämpfungscharakteristik für pulsierende Gase, umfassend

• - ein Gehäuse (2),
• - ein Gaszuleitungsrohr (1) zum Gehäuse (2),
• - darin integrierte Rohre (3.1, 3.2, 3.3, 3.4),
• - eine Überdruckdose (10) mit Membran (11), Feder (12), Kolbenstange (13, 13') und Druckanschluß (15),
• - wobei die Niederdruckseite der Membran (11) vom Umgebungsdruck und der Feder (12) beaufschlagt ist,
• - eine Druckleitung (6, 6'),
• - die den Gasgegendruck auf die Überdruckseite der Membran (11) leitet,
• - und ein Schließelement (5, 5') zum Öffnen und Verschließen eines der Rohre (1, 3.1, 3.2, 3.3, 3.4),gekennzeichnet durch die Merkmale:
• - das Schließelement ist ein Ventilteller (5, 5'),
• - der Ventilteller (5, 5')
• - ist an der Kolbenstange (13) befestigt und
• - sitzt im Ruhezustand auf dem Ende des Gaszuleitungsrohrs (1, 3.1) auf.

2. Schalldämpfer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das Merkmal:

• - die Druckleitung (6') ist in die Kolbenstange (13) integriert.

3. Schalldämpfer nach Anspruch 2, gekenzeichnet durch das Merkmal:

• - die Kolbenstange (13) besitzt eine Verlängerung (13'), die in das mittels Ventilteller (5, 5') verschließbare Rohr (1, 3.1) hineinragt.

4. Schalldämpfer nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch das Merkmal:

• - der Ventilteller (5') ist als Strömungslenkungselement geformt.

5. Schalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch das Merkmal:

• - eine Dichtung (14) dichtet die Kolbenstange (13) gasdicht gegen das Gehäuse (2) ab.

6. Schalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch die Merkmale:

• - im Gehäuse (2) befindet sich wenigstens eine akustisch schalldichte Zwischenwand (22, 32),
• - die Zwischenwand (22, 32) ist durchdrungen von
• - dem mit dem Ventilteller (5, 5') verschließbaren Rohr (3.1)
• - und einem weiteren Rohr (3.3) mit reduziertem Querschnitt.

7. Schalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die Merkmale:

• - im Gehäuse (2) sind wenigstens zwei Kammern (21, 23; 31, 33; 35, 37) vorgesehen,
• - wenigstens eine der Kammern (33, 35) ist mit Absorptionsmaterial gestopft.

8. Schalldämpfer nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch die Merkmale:

• - im Gehäuse (2) sind wenigstens zwei Kammern (21, 23; 31, 33; 35, 37) vorgesehen,
• - wenigstens eine der Kammern (21) im Gehäuse (2) ist als Expansions-, Reflektions- oder Resonanzraum dimensioniert.