DE19818873C2

DE19818873C2 - Hubkolbenbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19818873C2
Application number: DE1998118873
Authority: DE
Inventors: Peter Forster
Original assignee: MAN B&W Diesel GmbH
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 1998-04-28
Filing date: 1998-04-28
Publication date: 2001-07-05
Anticipated expiration: 2018-04-29
Also published as: JPH11336555A; DE19818873A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere einen Großdiesel-Motor, mit wenigstens einem Abgasturbolader, dessen Ladeluftausgang mittels einer Verbindungsleitung mit einem nachgeordneten Ladeluftkühler verbunden ist, und dem Mittel zur Reduktion von Schallemissionen zugeordnet sind.

Bisher wird versucht, die Emission des im Abgasturbolader entstehenden Schalls durch eine Schallisolation besonders gefährderter Elemente zu reduzieren. Dabei ist davon auszugehen, dass eine Schallisolation von Leitungen bzw. Gehäusen nur dann brauchbare Ergebnisse erbringen kann, wenn diese Isolation auf der ganzen Länge der Leitungen bzw. auf der ganzen Oberfläche der Gehäuse angebracht werden kann. Dies ist jedoch vielfach bereits aus baulichen Gründen nicht möglich. Die Schallisolation besteht nämlich aus einer vergleichsweise dicken Dämmaterialschicht, die mit einem Blech ummantelt ist. Dies erfordert viel Bauraum, der oft nicht vorhanden ist. Außerdem erfordert die Anbringung einer Schallisolation einen vergleichsweise hohen Aufwand, da die gefährdeten Leitungen etc. in der Regel schlecht zugänglich sind. Ein weiterer, ganz besonderer Nachteil ist darin zu sehen, dass sich das Dämmaterial bei hohen Temperaturen, die im Bereich eines Abgasturboladers auftreten, leicht zersetzen kann, so dass nach einer bestimmten Zeit die Isolationswirkung abnimmt.

Aus dem Stand der Technik sind aber auch schon folgende Lösungen bekannt:

Die DE 42 19 249 C2 beschreibt einen Reflexions-Schalldämpfer für einen Radialverdichter, bei dem Reflexionskammern großflächig den Störfrequenzen angepasst werden, bzw. die Reflexionslänge durch Variation der Kammergrößen eingestellt wird. Dazu wird der Druckstutzen des Verdichtergehäuses im Bereich der Austrittsöffnungen als Reflexionskammer ausgebildet.

Die EP 0 039 459 A1 zeigt einen Helmholtz-Schalldämpfer an der Stelle des kleinsten Abstandes zwischen dem Gehäuse einer Turbo-Arbeitsmaschine und einem Laufrad in Form einer Reflexionskammern, deren Volumen mittels eines kolbenartigen verschiebbaren Stopfen ebenfalls für verschiedene Frequenzen abgestimmt wird.

Die DE 28 30 294 A1 zeigt eine Druckänderungs-Absorptionseinrichtung für einen Radialverdichter, bei der eine Schalldämpfung wie eingangs beschrieben mittels eines Schalldämmmaterials vorgenommen wird.

Die DE 196 15 917 A1 zeit einen Abgasturbolader mit einem Ansaugschalldämpfer, der für den Einsatz bei einem Kraftfahrzeug geeignet ist, wobei Ansaugrohr und ein Resonator des Ansaugschalldämpfers in einem Resonatorgehäuse eine eigene bauliche Einheit bilden, bei der das Ansaugrohr selbst gelocht ausgeführt ist.

Hiervon ausgehend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung eingangs erwähnter Art mit einfachen und kostengünstigen Mitteln so zu verbessern, dass einerseits eine einfache und kompakte Bauweise der Schallbekämpfungsmaßnahmen und andererseits dennoch auch eine hohe Dämpfungswirkung sowie eine lange Lebensdauer erreicht werden.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Der nach dem Helmholtz-Prinzip arbeitende, erfindungsgemäß zum Einsatz kommende Schalldämpfer kann in vorteilhafter Weise trotz kompakter Bauweise viel Schallenergie vernichten. Im Bereich jedes Lochs des Lochblechs ergibt sich nämlich praktisch ein Feder-Masse-Schwingungssystem, in dem die sich im Loch befindende Fluidmasse bei einer Anregung durch eine Schallwelle schwingt, wobei das in der Kammer sich befindende Fluidvolumen als Feder wirkt. Aufgrund der starken Reibung, die sich an den Lochwänden, bei denen ein Lochanteil bezüglich des Lochbleches in einem Bereich von etwa 0,5% bis 1,5% vorgesehen ist, ergibt, resultiert eine starke Dämpfung. Da der erfindungsgemäße Schalldämpfer in radialer Richtung, d. h. lotrecht zum Lochblech, vergleichsweise wenig Bauraum benötigt, ist in vorteilhafter Weise eine Anordnung des erfindungsgemäßen Schalldämpfers nicht nur im Bereich peripherer Leitungen und Gehäuse etc. möglich. Vielmehr ist auch ein Einbau direkt in den Abgasturbolader möglich. Ferner kann der erfindungsgemäße Schalldämpfer so ausgelegt werden, dass ein vergleichsweise großes Frequenzband gedämpft wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den Unteransprüchen angegeben.

So kann zweckmäßig wenigstens ein vom Abgasturbolader wegführendes, vorzugsweise rohrförmiges Element mit einem Schalldämpfer versehen sein. Im Bereich rohrförmiger Elemente lassen sich die erfindungsgemäßen Maßnahmen mit besonders geringem Aufwand zum Einsatz bringen.

Eine weitere vorteilhafte Maßnahme kann darin bestehen, dass alle Löcher des Lochblechs in eine gemeinsame Kammer münden. Dies ergibt eine besonders einfache und kostengünstige Ausführung.

Alternativ wäre es denkbar, den vom Lochblech begrenzten Raum durch Trennwände in mehrere kleine Kammern zu unterteilen. Hierbei ist es in vorteilhafter Weise möglich, die Dämpfungswirkung im Bereich der einzelnen Kammern hinsichtlich unterschiedlicher Frequenzen zu optimieren, do dass innerhalb eines besonders breiten Frequenzbands eine gute Dämpfungswirkung erreicht wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den restlichen Unteransprüchen angegeben und aus der nachstehenden Beispielsbeschreibung anhand der Zeichnung näher entnehmbar.

In der nachstehend beschriebenen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht eines mit einem Abgasturboladers versehenen Großdiesel- Motors,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Wirkprinzips eines Helmholtz- Resonators,

Fig. 3 einen Schnitt durch die mit einem erfindungsgemäßen Schalldämpfer versehene, an den Ladeluftausgang des Abgasturboladers anschließende Rohrleitung,

Fig. 4 eine Variante zu Fig. 3 und

Fig. 5 einen Schnitt durch einen Abgasturbolader mit mehreren internen und peripheren Schalldämpfern.

Der der Fig. 1 zugrundeliegende Großdiesel-Motor 1 besitzt mehrere, reihenförmig angeordnete Zylinder 2, deren Abgasauslaß 3 an ein über alle Zylinder 2 sich erstreckendes Abgassammelrohr 4 angeschlossen ist. Vom Abgassammelrohr 4 führt eine Abgasleitung 5 zu einem Abgasturbolader 6, der eine durch das Abgas antreibbare Turbine 7 und einen von dieser antreibbaren Verdichter 8 zur Bereitstellung von den Zylindern 2 zuführbarer Ladeluft enthält. Die Abgasleitung 5 ist an den Ansaugstutzen 9 der Turbine 7 angeschlossen. Der Abströmstutzen 10 der Turbine 7 mündet in einen kanalartigen Abströmkanal 11.

Dem Verdichter 8 des Abgasturboladers 6 ist ein Ladeluftkühler 12 nachgeordnet, der über eine Leitungsverbindung mit dem Druckstutzen 13 des Verdichters 8 verbunden ist. Diese Leitungsverbindung besteht hier aus einem an den Druckstutzen 13 anschließenden Rohr 14 und einem hieran anschließenden, in den Ladeluftkühler 12 einmündenden Diffusor 15.

Im Abgasturbolader 6, insbesondere im Verdichter 8 des Abgasturboladers 6, entstehen Schallwellen, die sich in Strömungsrichtung des strömenden Mediums, also in der Luft bzw. im Abgas ausbreiten und daher dem Abgasturbolader 6 nachgeordnete Bauelemente zu Schwingungen und damit zu Schallemissionen anregen können. Um dem entgegen zu wirken, ist im Bereich des Abgasturboladers 6 wenigstens ein Schalldämpfer vorgesehen, der im Gegensatz zu einer Schallisolation Schall schluckt und nicht nur dämmt. Der genannte Schalldämpfer kann in den Abgasturbolader 6 integriert sein. Da sich der Schall in Strömungsrichtung ausreitet kommen hierfür in erster Linie die vom Abgasturbolader 6 wegführenden Leitungen in Frage. Hierbei handelt es sich um rohrförmige Elemente, was den Einbau des Schalldämpfers erleichtert.

Der genannte Schalldämpfer ist zur Erzielung eines kompakten Bauvolumens sowie einer hohen Standzeit und einer guten Dämpfungswirkung nach dem Prinzip des an sich bekannten Helmholtz-Resonators aufgebaut. Das Prinzip eines Helmholtz- Resonators ist in Fig. 2 dargestellt. Hierbei ist eine Kammer 16 vorgesehen, die über eine Bohrung 17 in einer sie begrenzenden Wand 18 mit dem strömenden Medium verbunden ist. Durch eine auftreffende Schallwelle 19 wird das in der Bohrung 17 sich befindende und dieser benachbarte Volumen 20 des Strömungsmediums zu Schwingungen angeregt, die durch die im Bereich der Bohrung 17 stattfindende Reibung gedämpft werden. Das in der Kammer 16 sich befindende Fluidvolumen wirkt dabei als Feder. Das Ganze stellt somit einen reibungsgedämpften Feder-Masse-Schwinger dar. Dieses System gerät abhängig von der schwingenden Masse und der Feder in Resonanz, wobei maximale Schwingungsamplituden entstehen, die wiederum eine maximale Reibung verursachen, wodurch viel Schallenergie verzehrt wird.

Da der Verdichter 8 des Abgasturboladers 6 eine Hauptlärmquelle darstellt und der hier entstehende Lärm sich in Strömungsrichtung ausbreitet, werden bereits gute Ergebnisse erreicht, wenn im Bereich der an den Druckstutzen 13 des Verdichters 8 anschließenden Leitungsverbindung zum Ladeluftkühler 12 ein Schalldämpfer erfindungsgemäßer Art vorgesehen ist. Dieser kann dem Rohr 14 zugeordnet sein. Zusätzlich oder alternativ kann auch der Diffusor 15 mit einem derartigen Schalldämpfer versehen sein. Dabei ist davon auszugehen, dass die Wirkung um so höher ist, je länger der Schalldämpfer ist. Aufgrund der oben vorgeschlagenen, verdichternahen Positionierung des Schalldämpfers wird eine Beaufschalgung nachgeordneter Elemente mit Schallwellen verhindert oder weitgehend reduziert, so dass dort eigene Schallbekämpfungsmaßnahmen entfallen können. Dies gilt insbesondere für das Ansaugsystem des Dieselmotors 1.

Die Fig. 3 und 4 zeigen Abschnitte des mit einem erfindungsgemäßen Schalldämpfer 21 versehenen Rohrs 14. Der Schalldämpfer 21 besitzt eine den Strömungskanal 22 begrenzende, als Lochblech 23 ausgebildete Wand. Diese wird von einem mit radialem Abstand angeordneten Außenrohr 24 umfaßt. Zwischen Lochblech 23 und Außenrohr 24 ergibt eine Kammer 25, die über die Löcher 26 des Lochblechs 23 mit dem strömenden Medium im Strömungskanal 22 in Verbindung steht. Bei der Ausführung gemäß Fig. 3 ist eine über die ganze Länge des Schalldämpfers durchgehende Kammer 25 vorgesehen. Bei der Ausführung gemäß Fig. 4 ist der Raum zwischen Lochblech 23 und Außenrohr 24 durch Zwischenwände 27 in mehrere kleine Kammern 25a unterteilt, denen jeweils nur einige Löcher 26 des Lochblechs 23 zugeordnet sind.

Im Bereich jedes Lochs 26 ergibt sich die oben geschilderte Wirkung eines Helmholtz-Resonators. Der Durchmesser der Löcher 26, sowie deren Verteilung, die Blechdicke des Lochblechs 23 und damit die Lochlänge, sowie die Tiefe der Kammer 25 bzw. der Kammern 25a müssen nach den Gegebenheiten des Einzelfalls gewählt werden, das heißt an die Wellenlänge der zu erwartenden Schallwellen angepasst werden. Im dargestellten Beispiel liegt der Lochanteil des Lochblechs 23 im Bereich von 0,9%. In einem Bereich von etwa 0,5% bis 1,5% ergibt sich durch die Löcher 26 keine nennenswerte Schwächung. Die Lochteilung, das heißt der Lochabstand t beträgt im dargestellten Beispiel ca. 9 mm. Der Lochdurchmesser beträgt 1 mm. Ebenso beträgt die Blechdicke des Lochblechs 23 und damit die Lochlänge 1 mm. Die Kammertiefe k beträgt hier ca. 15 mm. Hieraus ist ersichtlich, dass die erfindungsgemäßen Maßnahmen eine besonders kompakte Bauweise ermöglichen.

Das Beispiel gemäß Fig. 3 mit einer ununterteilten Kammer 25, in die alle Löcher 26 einmünden, ergibt sich eine besonders einfache Ausführung. Beim Beispiel gemäß Fig. 4 mit mehren kleineren Kammern 25a, denen jeweils nur ein Loch 26 oder wenige Löcher 26 zugeordnet sind, ist es möglich die Dämpfungsverhältnisse im Bereich unterschiedlicher Kammern 25 unterschiedlichen Wellenlängen anzupassen, so dass insgesamt eine große Dämpfungsbandbreite erreichbar ist.

Alternativ oder zusätzlich zum beschriebenen, dem Rohr 14 zugeordneten Schalldämpfer 21 kann natürlich auch noch weiteren strömungsführenden Elementen innerhalb des Abgasturboladers 6 oder im Bereich seiner, Peripherie ein Schalldämpfer erfindungsgemäßer Art zugeordnet sein. In Fig. 5 sind derartige Schalldämpfer 21 mit durchgezogenen, dicken Linien angedeutet. So könnte auch dem Druckstutzen 13 des Verdichters Bund/oder dem Verdichtergehäuse 28 und/oder dem Ansaugstutzen 29 und/oder der Ansaugleitung 30 des Verdichters 8 jeweils ein Schalldämpfer 21 zugeordnet sein. Auch turbinenseitig kann sich die Verwendung eines erfindungsgemäßen Schalldämpfers vorteilhaft auswirken. So könnte beispielsweise der an den Abströmstutzen 10 anschließende Abströmkanal 11 und/oder der Abströmstutzen 10 und/oder der Einströmstutzen 9 und/oder die an den Einströmstutzen 9 angeschlossene Abgasleitung 5 und/oder das Turbinengehäuse 31 der Turbine 7 des Abgasturboladers 6 mit einem Schalldämpfer 21 versehen sein. Die erwähnten Maßnahmen können, wie schon angedeutet, einzeln oder kummulativ vorgesehen sein.

Claims

1. Hubkolbenbrennkraftmaschine, insbesondere Großdiesel-Motor, mit wenigstens einem Abgasturbolader (6), dessen Ladeluftausgang (13) mittels einer Verbindungsleitung mit einem nachgeordneten Ladeluftkühler (12) verbunden ist, und dem Mittel zur Reduktion von Schallemissionen zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein strömungsführendes Element des Abgasturboladers (6) mit wenigstens einem auf dem Prinzip eines Helmholtz-Resonators beruhenden Schalldämpfer (21) versehen ist, der wenigstens eine Kammer (25) enthält, die durch ein Lochblech (23) vom zugeordneten Strömungskanal (22) getrennt ist, dessen Lochgeometrie an die Wellenlänge der zu erwartenden Schallwellen angepasst ist und dessen Lochanteil in einem Bereich von etwa 0,5% bis 1,5% liegt.

2. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein an den Ladeluftausgang (13) des Abgasturboladers (6) anschließendes Rohr (14) mit einem Schalldämpfer (21) versehen ist.

3. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein in den Ladeluftkühler (12) einmündender Diffusor (15) mit einem Schalldämpfer (21) versehen ist.

4. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der den Ladeluftausgang (13) bildende Druckstutzen des Verdichters (8) des Abgasturboladers (6) mit einem Schalldämpfer versehen ist.

5. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtergehäuse (28) des Verdichters (8) mit einem Schalldämpfer (21) versehen ist.

6. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ansaugstutzen (29) des Verdichters (8) mit einem Schalldämpfer (21) versehen ist.

7. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Ansaugstutzen (29) verbundene Ansaugleitung (30) mit einem Schalldämpfer (21) versehen ist.

8. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einströmstutzen (9) der Turbine (7) des Abgasturboladers mit einem Schalldämpfer (21) versehen ist.

9. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Einströmstutzen (9) verbundene Abgasleitung (5) mit einem Schalldämpfer (21) versehen ist.

10. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abströmstutzen (10) des Turbinengehäuses (31) der Turbine (7) mit einem Schalldämpfer (21) versehen ist.

11. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der an den Abströmstutzen (10) anschließende Abströmkanal (11) mit einem Schalldämpfer (21) versehen ist.

12. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinengehäuse (31) mit einem Schalldämpfer (21) versehen ist.

13. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lochblech (23) eine Dicke von 1 mm aufweist.

14. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Löcher (26) des Lochblechs (23) 1 mm beträgt.

15. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochteilung des Lochblechs (23) 9 mm beträgt.

16. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Tiefe der Kammer (25) bzw. der Kammern (25a) 15 mm beträgt.

17. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle Löcher (26) des Lochblechs (23) in eine gemeinsame Kammer (25) münden.

18. Hubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der vom Lochblech (23) begrenzte Raum durch Trennwände (27) in mehrere Kammern (25a) unterteilt ist.