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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schalldämpfer für einen Zweitaktmotor eines Motorarbeitsgerätes, insbesondere für ein handbetriebenes Motorarbeitsgerät wie ein Garten- und Grünlagenpflegegerät, ein Handwerkzeug wie eine Kettensäge, eine Handkreissäge oder ein Trennschleifer oder für ein Kleinkraftrad, einen Bootsmotor und dergleichen, wobei der Schalldämpfer einen Schalldämpfereinlass aufweist, an den sich ein Strömungskanal anschließt, sodass der Strömungskanal mittels dem Schalldämpfereinlass an einen Auslass des Brennraumes des Zweitaktmotors anbringbar ist, wobei der Strömungskanal am dem Schalldämpfereinlass gegenüberliegenden Kanalende in eine erste Kammer mündet, wobei ferner eine zweite Kammer vorgesehen ist, in die Abgas durch ein vom Strömungskanal abgezweigter Hauptauslass einströmt und aus der das Abgas durch einen Auslass ausströmt, wobei der Strömungskanal zwischen dem Schalldämpfereinlass und der ersten Kammer derart strömungsgünstig ausgeformt ist, dass das in den Schalldämpfer einströmende Abgas aufgrund seiner Massenträgheit überwiegend in die erste Kammer einströmt und nach einer Befüllung der ersten Kammer wieder zurückströmt und sich hierdurch in Richtung zum Brennraum ein Gegendruck bildet.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 20 2008 005 168 U1 ist ein gattungsbildender Zweitaktmotor mit einem Schalldämpfer der hier interessierenden Bauart gezeigt. Der Zweitaktmotor ist vereinfacht dargestellt und der Schalldämpfer ist am Auslass des Zweitaktmotors angeordnet, sodass das im Brennraum des Zweitaktmotors verbrannte Kraftstoff-Luftgemisch in den Schalldämpfer eintreten kann. Dabei tritt das Abgas in einen Strömungskanal des Schalldämpfers ein, über den der Schalldämpfer mittels dem Schalldämpfereinlass am Zylinder des Zweitaktmotors angebracht ist. An den Schalldämpfereinlass schließt sich ein Strömungskanal als eine gerade ausgebildete Rohrleitung an, die über ein Kanalende in eine erste Kammer mündet. Zwischen dem Schalldämpfereinlass und dem Kanalende ist am Strömungskanal ein Hauptauslass angeordnet, und Abgas kann durch den Hauptauslass vom Strömungskanal in eine zweite Kammer gelangen, die größer ausgebildet ist als die erste Kammer, und die folglich die Außenhülle des Schalldämpfers und damit das Gesamtvolumen des Schalldämpfers bildet.
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Der Strömungskanal ist gerade ausgeführt, sodass das über den Schalldämpfereinlass in den Strömungskanal einschießende Abgas begünstigt zunächst wenigstens überwiegend in die erste Kammer einströmt und in der ersten Kammer einen Überdruck bildet. Durch diesen Überdruck strömt ein Großteil des Abgases zurück in Richtung zum Schalldämpfereinlass und bildet eine Gasbarriere, durch die verhindert wird, dass in den Brennraum des Zylinders nachgeladenes Kraftstoff-Luftgemisch unverbrannt in den Schalldämpfer gelangt oder bereits in den Schalldämpfer eingetretenes Kraftstoff-Luftgemisch kann durch das rückströmende Abgas wieder in den Brennraum zurückbefördert werden. Die geometrische Ausgestaltung des Strömungskanals und das Volumen der ersten Kammer sind derart bestimmt, dass ein Strömungsverhalten des Abgases im Strömungskanal und der ersten Kammer entsteht, das mit der Hubbewegung des Kolbens und dem Öffnen des Auslasses des Brennraumes bei Durchlaufen des Bereiches des unteren Totpunktes des Kolbens korrespondiert. Damit werden bessere Emissionswerte erreicht, insbesondere kann der Wirkungsgrad des Zweitaktmotors durch eine Verringerung des Ausstoßes unverbrannten Kraftstoffes gegenüber konventionellen Schalldämpfern erhöht werden.
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Bei Schalldämpfern, die ein Zurückströmen des Abgases in Richtung des Auslasses des Brennraumes ermöglichen, wird grundsätzlich das Ziel verfolgt, dass das Abgas von der ersten Kammer in Richtung zum Schalldämpfereinlass zum richtigen Zeitpunkt einen Gegendruck bildet, während der Auslass des Brennraumes im Bereich des unteren Totpunktes des Kolbens noch geöffnet ist. Ferner wird das Ziel verfolgt, dass das rückströmende Abgas einen Druck in richtiger Höhe bildet, sodass das Abgas nicht wieder zurück in den Brennraum gelangt, jedoch soll der Druck derart bestimmt sein, dass das Austreten von unverbranntem Kraftstoff-Luftgemisch aus dem Brennraum in den Schalldämpfer wirkungsvoll vermieden ist. Dabei ist bekannt, dass diese Optimierung mit der Länge des Strömungskanals und der ersten Kammer, jedoch auch durch das Volumen der ersten Kammer, erreicht werden kann.
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Ferner hat ein Schalldämpfer die Aufgabe, das beim Austreten des Abgases aus dem Brennraum entstehende Geräusch möglichst wirkungsvoll zu dämpfen. Eine besonders gute Dämpfung wird dann erreicht, wenn am Auslass des Schalldämpfers das Abgas möglichst geringe Druckschwankungen aufweist. Diese Optimierung geht einher mit dem Wunsch eines bestimmten Klangbildes des Motorarbeitsgerätes, jedoch wird auch das Ziel verfolgt, bestimmte Materialien zum Bau von Schalldämpfern verwenden zu können. Ein großes Gesamtvolumen des Schalldämpfers beeinflusst den Zweitaktmotor eher bei niedrigen Drehzahlen, ein kleineres Gesamtvolumen des Schalldämpfers beeinflusst den Zweitaktmotor eher bei höheren Drehzahlen. Das Schalldämpfergeräusch wird dabei durch die im Schalldämpfer herrschenden Druckschwingungen beeinflusst.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, durch eine entsprechende Anpassung der am Schalldämpfer beteiligten Volumina auf die Druckschwankungen des Abgases beim Verlassen des Schalldämpfers Einfluss zu nehmen. Insbesondere ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine möglichst große Geräuschminderung des Betriebs des Zweitaktmotors zu erreichen.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Schalldämpfer für einen Zweitaktmotor eines Motorarbeitsgerätes gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass das Verhältnis des Volumens der ersten Kammer zum Gesamtvolumen des Schalldämpfers 1/40 bis 1/2 beträgt.
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Die Erfindung geht dabei von dem Gedanken aus, die am Schalldämpfer beteiligten Volumina derart zu optimieren, dass eine möglichst gute Geräuschminderung beim Betrieb des Motorarbeitsgerätes erreicht wird. Dabei hat sich gezeigt, dass bei einem Volumen der ersten Kammer im Verhältnis zum Gesamtvolumen des Schalldämpfers von 1/40 bis 1/2 die Druckschwingungen am Auslass des Schalldämpfers besonders stark abnehmen, sodass das Geräusch beim Betrieb des Motorarbeitsgerätes leiser ausgelegt werden kann.
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Insbesondere kann das Verhältnis des Volumens der ersten Kammer zum Gesamtvolumen des Schalldämpfers 1/20 bis 1/8 betragen, wodurch besonders gute Ergebnisse zur Geräuschreduzierung erzielt wurden. Insbesondere kann das Verhältnis des Volumens der ersten Kammer zum Gesamtvolumen des Schalldämpfers 1/16 bis 1/10 betragen, wobei beste Ergebnisse erzielt wurden, wenn das Verhältnis des Volumens der ersten Kammer zum Gesamtvolumen des Schalldämpfers etwa 1/12 beträgt.
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Das Gesamtvolumen des Schalldämpfers kann aus den Volumina der ersten Kammer, der zweiten Kammer und des Strömungskanals gebildet sein. Die erste Kammer kann durch die zweite Kammer umschlossen sein, ferner kann die zweite Kammer derart ausgebildet sein, dass diese wenigstens einen Teil des Strömungskanals ebenfalls umschließt, wobei die erste Kammer auch außerhalb der zweiten Kammer angeordnet sein kann. Daher kann das Gesamtvolumen des Schalldämpfers näherungsweise angegeben werden durch das Volumen der zweiten Kammer, und der Auslass, an dem die Druckschwingungen zu minimieren sind, um einen möglichst niedrigen Geräuschpegel beim Betrieb des Zweitaktmotors zu erreichen, betrifft den Auslass, durch den das Abgas die zweite Kammer ins Freie verlässt.
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Das Verhältnis des Volumens des Strömungskanals zum Gesamtvolumen des Schalldämpfers kann 1/50 bis 1/10 betragen. Zum Volumen des Strömungskanals kann ferner noch das Volumen des Hauptauslasses hinzugezählt werden. Die erste Kammer kann zudem einen Nebenauslass besitzen, durch den Abgas von der ersten Kammer direkt in die zweite Kammer überströmen kann, ohne den Strömungskanal erneut wenigstens teilweise zu durchströmen. Dabei kann das Volumen des Nebenauslasses dem Volumen der ersten Kammer, jedoch bevorzugt dem Volumen der zweiten Kammer und damit dem Gesamtvolumen des Schalldämpfers zugeordnet werden.
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Die Verhältnisse der Volumina der ersten Kammer zum Gesamtvolumen des Schalldämpfers, jedoch auch des Volumens des Strömungskanals zum Gesamtvolumen des Schalldämpfers führt in erster Linie zu geringeren Druckschwankungen am Hauptauslass, der am Strömungskanal angeordnet ist, und durch den das Abgas vom Strömungskanal in die zweite Kammer eintreten kann. Eine Reduzierung des Gesamtgeräuschpegels des Schalldämpfers wird hingegen erreicht, wenn die Druckschwankungen des Abgases am Auslass aus der zweiten Kammer minimiert werden, durch den das Abgas ins Freie gelangen kann.
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Durch das erfindungsgemäße Volumenverhältnis der ersten Kammer zum Gesamtvolumen des Schalldämpfers, welches im Wesentlichen gebildet wird durch das Volumen der zweiten Kammer, wird jedoch zunächst eine Reduzierung der Druckschwankungen am Hauptauslass erreicht.
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Dabei wird der Effekt erzielt, dass die Frequenz der Druckschwankungen, mit denen das Abgas durch den Hauptauslass in die zweite Kammer gelangt, nicht mit der Resonanzfrequenz der zweiten Kammer übereinstimmt. Dabei ist es wichtig, dass die Anregungsfrequenz der zweiten Kammer möglichst einen großen Abstand zur Pulsationsfrequenz der Druckschwankungen des Abgases aufweist, mit dem das Abgas durch den Hauptauslass in die zweite Kammer einströmt. Erst dadurch kann eine besonders wirksame Reduzierung des Gesamtgeräuschpegels des Schalldämpfers erreicht werden.
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Im Ergebnis wird das Ziel verfolgt, dass im Inneren des Schalldämpfers, gebildet durch das Zusammenspiel aus der ersten Kammer, dem Strömungskanal und dem Brennraum, ein Strömungsprinzip genutzt wird, um die pulsierende Druckbarriere am Auslass des Brennraumes zu schaffen, und um hierdurch die Emissionswerte zu optimieren. Für den äußern Teil des Schalldämpfers, im Wesentlichen gebildet durch die zweite Kammer, die die erste Kammer und den wesentlichen Teil des Strömungskanals umschließt, wird das Ziel verfolgt, möglichst keine Resonanz entstehen zu lassen, sodass die Frequenz der Druckschwankungen, mit denen das Abgas durch den Hauptauslass in die zweite Kammer eintritt, möglichst nicht mit der Anregungsfrequenz der zweiten Kammer übereinstimmt. Folglich ergibt sich ein besonders gutes akustisches Dämpfungsergebnis des Schalldämpfers, sodass einerseits sehr gute Emissionsergebnisse erreicht werden, andererseits ist eine sehr gute Reduzierung des Betriebsgeräusches des Motorarbeitsgerätes erreichbar.
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Gemäß einer weiteren Maßnahme der vorliegenden Erfindung kann der Zweitaktmotor ein Hubvolumen aufweisen, und das Verhältnis des Volumens der ersten Kammer zum Hubvolumen beträgt ein 1/4 bis 2. Bei diesem Verhältnis zwischen dem Hubvolumen des Zweitaktmotors, der vorzugsweise als Einzylindermotor ausgeführt ist, und dem Volumen der ersten Kammer kann das Abgasströmungsprinzip zur Bildung eines Abgasgegendruckes besonders wirkungsvoll umgesetzt werden, um die Emissionswerte, jedoch auch die Verbrauchswerte des Zweitaktmotors, zu optimieren.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Maßnahme kann das Verhältnis des Volumens der zweiten Kammer zum Hubvolumen 4 bis 10 betragen. Durch dieses Verhältnis wird eine besonders gute Geräuschminimierung beim Betrieb des Zweitaktmotors erreicht.
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Der Schalldämpfer kann vorzugsweise aus einem Edelstahl hergestellt sein, beispielsweise mit der Werkstoffnummer 1.4301, und der E-Modul des Materials kann vorzugsweise 200.000 N/mm2 betragen.
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Bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
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1 eine schematische Ansicht eines Schalldämpfers der hier interessierenden Art in Anordnung an einen Zweitaktmotor,
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2 ein Diagramm des Druckes über dem Kurbelwinkel des Zweitaktmotors mit verschiedenen Druckverläufen bei einer Drehzahl von 7000 1/min und
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3 ein Diagramm des Druckes über dem Kurbelwinkel des Zweitaktmotors mit verschiedenen Druckverläufen bei einer Drehzahl von 10.000 1/min.
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1 zeigt einen Zweitaktmotor 10 in einer schematischen, quergeschnittenen Ansicht, und am Zweitaktmotor 10 ist ein Schalldämpfer 100 angebracht. Der Zweitaktmotor 10 weist einen Zylinder 18 auf, in dem ein Brennraum 13 gebildet ist. Der Brennraum 13 ist beweglich begrenzt durch einen Kolben 21, der über eine Pleuel 23 mit einer Kurbelwelle 22 zur Bildung eines Kurbeltriebs verbunden ist, und die Kurbelwelle 22 ist in einem Kurbelgehäuse 24 gelagert. In der Wandung des Zylinders 18 ist ein Auslass angeordnet, an dem der Schalldämpfer 100 über einen Schalldämpfereinlass 11 in nicht näher gezeigter Weise angeflanscht ist. Befindet sich der Kolben 21 in der gezeigten Position des unteren Totpunktes, so gibt der Kolben 21 den Auslass des Brennraumes 13 frei, und Abgas kann vom Brennraum 13 durch den Schalldämpfereinlass 11 in den Schalldämpfer 100 gelangen. An den Schalldämpfereinlass 11 schließt sich ein Strömungskanal 12 an, der mit einem dem Schalldämpfereinlass 11 gegenüberliegenden Kanalende 14 in eine erste Kammer 15 mündet. Ferner weist der Schalldämpfer 10 eine zweite Kammer 16 auf, die größer ausgebildet ist als die erste Kammer 15 und die die erste Kammer 15 vollständig sowie ebenfalls einen Teil des Strömungskanals 12 umschließt.
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Das in den Schalldämpfereinlass 11 eintretende Abgas kann zunächst wenigstens zum größeren Teil in die erste Kammer 15 gelangen, wobei am Strömungskanal 12 ein Hauptauslass 17 angeordnet ist, und das Abgas kann aus dem Strömungskanal 12 durch den Hauptauslass 17 in die zweite Kammer 16 gelangen. Ferner besitzt die erste Kammer 15 einen Nebenauslass 20, sodass Abgas auch aus der ersten Kammer 15 direkt in die zweite Kammer 16 einströmen kann. Das Abgas kann durch einen Auslass 19, der in der Wandung der zweiten Kammer 16 eingebracht ist, den Schalldämpfer 100 verlassen.
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Der Strömungskanal 12 erstreckt sich in gerader Ausbildung zwischen der ersten Kammer 15 und dem Schalldämpfereinlass 11, und ist damit derart strömungsgünstig ausgeformt, dass das in den Schalldämpfereinlass 11 einströmende Abgas aufgrund seiner Massenträgheit überwiegend in die erste Kammer 15 einströmt und in dieser einen Überdruck erzeugt. Nach einer Befüllung der ersten Kammer 15 kann das Abgas wieder in Richtung zum Schalldämpfereinlass 11 zurückströmen, und hierdurch gegen den Brennraum 13 einen Gegendruck bilden. Damit wird vermieden, dass Kraftstoff-Luftgemisch unverbrannt in den Schalldämpfer 100 gelangt oder bereits in den Schalldämpfer 100 eingetretenes Kraftstoff-Luftgemisch wird in den Brennraum 13 zurückgedrückt. Erst nach Rückströmung des Abgases gegen den Auslass des Brennraumes 13 kann das Abgas den Strömungskanal 12 beziehungsweise die erste Kammer 15 durch einen Hauptauslass 17 verlassen und in die zweite Kammer 16 eintreten. Das Abgas verlässt den Schalldämpfer 100 endgültig durch einen Auslass 19, der in der zweiten Kammer 16 eingebracht ist, und das Abgas kann durch den Auslass 19 ins Freie gelangen.
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Die Darstellung zeigt die erste Kammer 15 mit Abmessungen, die deutlich kleiner sind als die Abmessungen der zweiten Kammer 16, und die zweite Kammer 16 umschließt die erste Kammer 15 beispielhaft sowie einen Teil des Strömungskanals 12. Dabei ist das Verhältnis des Volumens der ersten Kammer 15 zum Gesamtvolumen des Schalldämpfers 1/40 bis 1/2, und das Gesamtvolumen des Schalldämpfers 100 wird durch das absolute Volumen der zweiten Kammer 16 gebildet. Dadurch wird eine erhebliche Verringerung des Betriebsgeräusches des Zweitaktmotors 10 erreicht, das im Wesentlichen bestimmt wird durch den Druckverlauf und insbesondere durch die Druckschwankungen am Hauptauslass 17 bzw. am Auslass 19 des Schalldämpfers 100.
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Die 2 und 3 zeigen für verschiedene Drehzahlen den Druckverlauf p in bar über dem Kurbelwinkel der Kurbelwelle 22 in Grad, und 2 zeigt die Druckverläufe A, B und C für einen Zweitaktmotor 10 mit einer Drehzahl n = 7000 1/min, und 3 zeigt die Druckverläufe für eine Drehzahl n = 10.000 1/min. Der Kurbelwinkel, bei dem der Auslass des Brennraumes 13 öffnet und schließt, ist für mehrere Ladungswechsel angegeben. Dabei gibt die Angabe EO an, dass der Auslass des Brennraums 13 geöffnet wird, und die Angabe EC gibt an, dass der Auslass des Brennraumes 13 wieder geschlossen wird. In 2 sind zwei Öffnungszyklen des Auslasses gezeigt, und der Druckverlauf im Brennraum 13 ist mit C angegeben. 3 zeigt aufgrund der höheren Drehzahl drei Öffnungszyklen des Brennraumes 13, angegeben durch die Druckverläufe C.
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Der Druckverlauf A zeigt den Verlauf des Druckes des Abgasmassenstroms am Auslass für einen Schalldämpfer 100 mit den Merkmalen der vorliegenden Erfindung, und B zeigt den Druckverlauf des Abgasmassenstroms am Auslass eines konventionellen Schalldämpfers, der ein Verhältnis der Volumina einer Vorkammer zum Gesamtvolumen eines Schalldämpfers aufweist, das nicht im beanspruchten Bereich liegt.
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Sowohl in 2 bei einer Drehzahl von n = 7000 1/min, als auch in 3 bei einer Drehzahl n = 10.000 1/min ist erkennbar, dass der Druckverlauf A des Abgasmassenstroms am Auslass eines Schalldämpfers 100 mit erfindungsgemäßem Volumenverhältnis eine geringere Druckschwankung aufweist als der Druckverlauf B. Mit Blick auf 3 ist erkennbar, dass der Druckverlauf A bei einer Drehzahl n = 10.000 1/min der Druckverlauf A sehr gleichmäßig bei etwa 1,125 bar verläuft, sodass das Abgas, das den Schalldämpfer 100 verlässt, nur noch eine geringe oder keine Druckpulsation mehr aufweist. Dadurch wird erreicht, dass der Schalldämpfer 100 das Betriebsgeräusch des Zweitaktmotors 10 sehr stark dämpft.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten oder räumliche Anordnungen, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Schalldämpfer
- 10
- Zweitaktmotor
- 11
- Schalldämpfereinlass
- 12
- Strömungskanal
- 13
- Brennraum
- 14
- Kanalende
- 15
- erste Kammer
- 16
- zweite Kammer
- 17
- Hauptauslass
- 18
- Zylinder
- 19
- Auslass
- 20
- Nebenauslass
- 21
- Kolben
- 22
- Kurbelwelle
- 23
- Pleuel
- 24
- Kurbelgehäuse
- A
- Druckverlauf des Abgasmassenstroms am Auslass
- B
- Druckverlauf des Abgasmassenstroms am Auslass eines konventionellen Schalldämpfers
- C
- Druckverlauf im Brennraum
- n
- Drehzahl des Zweitaktmotors
- p
- Druck in bar
- °KW
- Kurbelwinkel in Grad
- EO
- Auslass des Brennraumes geöffnet
- EC
- Auslass des Brennraumes geschlossen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202008005168 U1 [0002]
