DE2256655C2 - Schalldämpfer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Schalldämpfer zur Minderung der Geräuschfortpflanzung beim Strömen gasförmiger Medien durch rohrförmige Kanäle, bestehend aus einem Topf mit öffnungen für Eintritts- und Austrittsrohre, wobei die vom Eintrittsrohr gebildete Strömungsbahn in den Topf hinein verlängert ist und in einen Ringspalt zwischen zwei Querwänden, gebildet durch eine mit dem Eintrittsrohr verbundene achssymmetrische Ringscheibe und eine im wesentlichen ebene Vollscheibe, übergeht.

Schalldämpfer, wie sie beispielsweise bei Verbrennungsmaschinen eingesetzt werden, sollen in Rohrleitungen für Gase fortgeleitete und auch verursachte Schallwellen dämpfen, wobei ein breites Frequenzspektrum von den tiefen Tönen bis zu den hohen Tönen des hörbaren Wellenbereichs zu berücksichtigen ist. Gleichzeitig sind in der Regel Anforderungen an eine kompakte Bauweise und an geringe Leistungsverluste im strömenden Gas gestellt.

Ein Schalldämpfer der eir^angs bezeichneten Art ist aus der GB-PS 3 13 807 bekannt und besonders für Motoren mit Innenverbrennung ausgelegt. Bei dieser Auslegung soll ein flächig erstreckter Topf mit seiner Rückseite direkt an den Zylinderblock eines Motors angeschraubt werden, wobei den Auslaßöffnungen de? Motors entsprechend nebeneinanderliegende Einlaßöffnungen über kurze Rohrstutzen und Querwand-Verteiler in den Topf eingeleitet werden. Die Auspuffgase können den Schalldämpfer über zwei seitliche Auslaßrohre verlassen.

Dieser Schalldämpfer macht von den allgemein einem Schalldämpfertopf zugeschriebenen Dämpfungseigenschaften Gebrauch. Er bietet den durchströmenden Gasen Querschnittsänderungen, die insbesondere für niedere Frequenzen eine Dämpfungswirkung h.iben.

ίο Die Form der den Eintritts-Rohrstutzen gegenübergestellten Querwände kann dort auch eine Teilreflexion von Schallweilen höherer Frequenz bewirken, wenngleich der unmittelbare Anschluß an die Verbrennungsmaschine kaum eine wirksame Reduktion reflektierter Wellen erwarten läßt Demgegenüber ist aber mit starken Eigengeräuschen beim stoßförmigen Austritt von Gasen aus der Verbrennungsmaschine an den einzelnen Einleitungsdüsen, und zwar sowohl im Bereich der gewundenen Gasführung als auch im Umfangsbereich der gegeneinandergerichteten Austritts-Ringspalte zu rechnen und insbesondere liefert die dort vorausgesetzte Expansion der Gase zusammen mit der strömungsungünstigen Kanalführung Verluste, die nicht nur bei Verbrennungsmaschinen, sondern ganz allgemein bei Strömungskanälen als ungünstig angesehen werden müssen. Ausgehend von Schalldämpfern der eingangs bezeichneten, bekannten kn bestand die Aufgabe darin, die Strömungsverluste, insbesondere das Druckgefälle zwischen Eingang und Ausgang des Schalldämpfers, zu verringern, und zwar so, daß die Schalldämpfung insbesondere mit Unterdrückung von mittelfrequenten Schwingungen sich gleichzeitig verbessern läßt

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Ringscheibe als eine mit der Vollscheibe einen verlustarmen Diffusor bildende Leitscheibe gestaltet ist und die Gasströmung in der Form eines von dem Ringspalt frei ausströmenden, dünnen Schleiers gegen die Wandung des Topfes gerichtet wird, und daß der Topf eine in Achsrichtung des Diffusor? langgestreckte Form hat, wobei der Diffusor bezüglich der Längserstreckung des Topfes etwa in der Mitte angeordnet ist.

Die erfindungsgemäße Lösung macht sich die Eigenschaften des in der Strömungstechnik als Gegenstück zur Düse bekannten Diffusors zunutze, der eine verlustarme Umwandlung der kinetischen Energie eines strömenden Gases in statische Energie des verlangsamten Gases mit rückgewonnenem Druck erlaubt. Ein bekannter Diffusor besteht im wesentlichen aus zwei Scheiben, von welchen die eine tine Strömungsablenkende VoII-scheibe und die andere eine dazu im wesentlichen parallel verlaufende Ring- oder Lochscheibe ist, die sich an den Eintrittskanal des Diffusors anschließt und zur Vermeidung unnötiger Strömungsverluste zum Kanal hin mit passender achssymmetrischer Rundung ausgeführt sein kann, während die Vollscheibe gegenüber der Ringscheibe in einer zweckmäßigen Weise festgehalten ist.

Ein solcher verlustarmer Diffusor im Schalldämpfertopf bewirkt, daß das Druckgefälle vom Eintrittsrohr zum Topf im allgemeinen zwar negativ gehalten werden kann, so daß eine Druckrückgewinnung entsprechend einem beträchtlichen Anteil des dynamischen Drucks im Eintrittsrohr erreicht werden kann. Diese Druckrückgewinnung ermöglicht, den gesamten Strömungswiderstand des Schalldämpfers sehr niedrig zu halten, was in

b5 vielen Fällen wichtig ist, insbesondere, wenn es sich bei ilen strömenden Medien um die Auspuffgase einer Brennkraftmaschine handelt und, ganz besonders, wenn eine derartige Maschine mit einem abgasbetriebenen

Turbolader ausgerüstet ist

Darüber hinaus hat es sich erwiesen, daß durch die Bespülung der !Innenseite der Topfwand durch den schleierförmigen Strom ein begrenzter, jedoch nicht unwesentlicher Wiederaufbau des statischen Drucks erreicht werden kann. Diese eigentlich überraschende Wirkung läßt sich vermutlich dadurch erklären, daß die Topfwand auf den schleierförmigen Strom etwa wie ein zusätzlicher Querscheibendiffusor wirkt, dem lediglich - die eine der beiden strömungsleitenden Scheiben fehlt Ein radialer Abstand zwischen der Peripherie des Querscheibendiffusors und der Innenseite der Topfwand, der ungefähr dem Fünffachen der Spaltbreite an der Peripherie des Diffusorkanali: entspricht, hat sich in dieser Beziehung als günstig erwiesen.

Neben seinem Beitrag z-ur Minderung der Verluste liefert der Diffusor auch eine sehr gute Schalldämpfung. Die rechtwinklig zur Achsrichtung des Eintrittsrohres verlaufende Vollscheibe des Diffusors reflektiert ankommende hochfrequente Geräusche in wesentlichem Umfang, d. h. sie wirft den Gehalt de» Mediumstromes an hohen Tönen in den Eintrittskanal zurück, weil sich hochfrequente Schallwellen ausgeprägt richtungsbestimmt und im vorliegenden Fall somit rohrparallel ausbreiten, und zwar sowohl in Fortpflanzungsrichtung als auch in Reflexionsrichtung. Allein hierdurch wird eine erhebliche Minderung der hochfrequenten Geräuschübertragung vom Eintrittsrohr in den Topf erzielt.

Zwischen den beiden Scheiben des Diffusors, deren Durchmesser größer als der des Eintrittsrohrs ist, wird ein spaltförmiger Austrittskanal gebildet. Die Masse des Strömungsmediums in diesem Austrittskanal trägt durch ihre Trägheit wesentlich zu einem erheblichen Widerstand gegen den Durchtritt hoch- und zwischenfrequenter Geräusche bei, was per se der Vollscheibe schon dabei behilflich ist, derartige Geräuschanteile in das Eintrittsrohr zurückzuwerfen. Im Gegensatz zu einem gewöhnlichen Axialdiffusor, der etwa wie ein Megaphon die Geräuschfortpflanzung zum Topf eher erhöhen würde bewirkt der Querscheibendiffusor somit eine gute Schalldämpfung.

Der enge Austrittsspalt des Diffusors gewährleistet, daß das Ausströmen des Mediums in den Topf in der Form eines entsprechend schmalen und damit schleierförmigen Gasstrahls erfolgt. Die von diesem Gasstrahl hervorgerufenen hoch- und zwischenfrequenten Turbulenzgeräusche sind wesentlich geringer als die Turbulen/.geräusche. die von einem Gasstrahl hervorgerufen würden, welcher sich bei dem gleichen Medienstrom ohne einen solchen Diffuser im Topf bilden würde. Dies ist darauf zurückzuführen, daß das Volumen der strömungsturbvf'enten Mischzone vom Diffusor in der erfindungsgemäßen Ausführung auf ungefähr ein Drittel reduziert wird und daß die Leistungsdichte der hoch- und zwischenfrequenten Geräusche im betreffenden VoIumen beim Diffusorstrahl aufgrund der mil der Diffusorwirkung verbundenen, kleineren Partikelgeschwindig- . keit in der Ausströmöffnung wesentlich kleiner ist. Auch dieser Umstand trägt dazu bei, daß durch die Anwendung eines Querscheibendiffusors im Schalldämpfer eine erhebliche Reduktion der hoch- und zwischenfrequenten Geräuschübertragung vom Eintrittsrohr in den Topf erreicht wird.

Die gute Wirkung des Schalldämpfers gegenüber niederfrequenten Geräuschen wird auf an sich herkömmliehe Weise schon durcn eine geeignete Dimensionierung des Topfes und des zugehörigen Austrittsrohres sichergestellt. Besondere Wirkungen — insbesondere auf die mittelfrequenten Schwingungen ergeben sich aus der Formgebung des Topfes und der mittigen Anordnung des Diffusors.

Viele der möglichen Eigenschwingungen des Topfmediums haben longitudinalen Charakter, was bedeutet, daß man durch die axiale Anordnung des Querscheibendiffusors in bezug auf den Topf die Bildung bzw. Unterdrückung derartiger Schwingungen selektiv beeinflussen kann. In diesem Zusammenhang ist es sehr wichtig, daß der den Diffusor verlassende Medienstrom hauptsächlich radiale Richtung und eine schleierartige und damit schmale und wohldefinierte geometrische Form hat.

Wenn außerdem der Diffusor ungefähr in der Mitte zwischen den beiden Stirnwänden des Topfes angeordnet ist, werden sogar viele Iongitudinale Eigenschwingungen gar nicht angeregt, da prinzipiell die Hälfte dieser Eigenschwingungen Druckknoten in der Mittelebene zwischen den Stirnwänden und in deren Nähe hat. d. h. in oder nahe der Ebene des schleierförmigen Stromes, so daß die Bildung entsprechender, hauptsächlich zwischenfrequenter Geräusche im Topfmedium vermieden wird.

Eine zusätzliche Dämpfung solcher Schwingungen, die auch konstruktiv leicht anzubringen ist, läßt sich mit Schallsciiluckmaterial erzielen, welches sich vom Eintrittsrohr bis auf einen Abstand zur Wandung des Topfes erstreckt, der dabei zweckmäßig kreiszylindrisch ausgebildet ist. Der zwischen dem Schallschluckmaterial und dem Mantel des Topfes verbleibende offene Ringraum bewirkt, daß die Druckknoten der oben erwähnten Hälfte der Eigenschwingungen in der Mitte des Topfes keine nennenswerte Verschiebung erleiden.

Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schalldämpfers ist auf der Zeichnung veranschaulicht. Es zeigt

F i g. 1 einen Axialschnitt durch diesen Schalldämpfer,

Fig.2 einen Querschnitt entlang der Linie Ii.-II in F i g. 1 und

Fig.3 eine Modifikation des zentralen Teils des Querwanddiffusors im Schnitt.

Der veranschaulichte Schalldämpfer hat einen Topf, der aus einem zylindrischen Mantel 1 und zwei nach außen gewölbten Stirnwänden 2 und 2' besteht. In Öffnungen 3 und 4 in diesen Wänden sind ein axiales Eintrittsrohr 5 bzw. ein ebenfalls axiales Austrittsrohr 6 angeordnet, die außerhalb des Topfes als kurze Rohrstutzen dargestellt sind, an welche Rohrstücke mit jeweils geeigneten Abmessungen angeschlossen werden können. Das Eintrittsrohr 5 hat eine Verlängerung 5', die sich bis zur Mitte des Topfes erstreckt und deren Rand glatt mit der Innenkante einer kreisförmigen Ringscheibe 7 verschweißt ist, die rechtwinklig zur Achse des Eintrittsrohres verläuft und deren innere Randpartie eine gleichmäßige Übergangsrundupg mit der Rohrpartie 5' bildet. Parallel mit der Ringscheibe 7 und in geringem Abstand von dieser ist eine kreisförmige Vollscheibe 8 angebracht, die nach F i g. 3 mit der Ringscheibe 7 mit Hilfe /on drei radialen Rippen 9 verbunden ist, deren Höhe die Breite des ringförmigen Spalts 10 zwischen den beiden Scheiben 7 und 8 bestimmt und deren innere Stirnpartien 11 miteinander verbunden sind und sich ein kurzes Stück in die leicht konisch divergierende Rohrpartie 5' hineinerstrecken, wo sie von konkaven Vorderkarren 12 abgeschlossen werden, deren Querschnitt in der gegen den Mediumstrom gekehrten Richtung abgerundet ist.

Die Verlängerung 5' des Eintiittsrohres ist mit porö-

sem. schallschluckendem Material 13 umgeben, das im Raum von der Stirnwand 2 zur Ringscheibe 7 angeordnet ist. jedoch diesen Raum in Querrichtung nur teilweise ausfüllt, indem es eine freiliegende äußere Oberfläche 14 hat. Wie gezeigt, kann dieses schallschluckende Ma- 5 terial zweckdienlich aus einem Stapel Lochscheiben 15 bestehen, die passend stramm auf der Rohrverlängerung 5'sitzen.

Nach F i g. 1 und 2 ist die äußere Randpartie der Ringscheibe 7 axial und radial festgehalten durch Eingriff mit io Ausnehmungen in den nach innen gekehrten Kanten von vier äquidistanten Rippen 20. die in geringer Entfernung von der Innenwand des Mantels 1 und parallel mit dessen Achse angebracht sind und von der Stirnwand 2' mit dem Austrittsrohr 6 des Schalldämpfers getragen 15 werden. Eine Vollscheibe 8 ist auf entsprechende Weise und in einer solchen Stellung festgehalten, daß sie zusammen mit der Ringscheibe 7 einen ringförmigen Austrittssⁿ2!t 10 bildet.

In verhältnismäßig kleinem Abstand von der Stirnwand 2' ist im Raum zwischen den Rippen 20 ein Schild 21 angebracht, der einen Durchtritt 22 abgrenzt. Zwischen dem Schild 21 und der Vollscheibe 8 ist Schallschluckmaterial 23 angeordnet, welches von derselben Art wie das die Verlängerung 5' des Eintrittsrohres umgebende Schallschluckmaterial 13 sein kann.

Der erfindungsgemäße Schalldämpfer ist in erster Linie für Auspuffrohre von Brennkraftmaschinen bestimmt, läßt sich jedoch auch vorzüglich in Verbindung mit Absauganlagen, z. B. zur Lufterneuerur.g in Aufent- jo haltsräumen. oder als Dämpfer für Ansauggeräusche von Brennkraftmaschinen und Kompressoren verwenden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Schalldämpfer zur Minderung der Geräuschfortpflanzung beim Strömen gasförmiger Medien durch rohrförmige Kanäle, bestehend aus einem Topf mit öffnungen für Eintritts- und Austrittsrohre, wobei die vom Eintrittsrohr gebildete Strömungsbahn in den Topf hinein verlängert ist und in einen Ringspalt zwischen zwei Querwänden, gebildet durch eine mit dem Eintrittsrohr verbundene achssymmetrische Ringscheibe und eine im wesentlichen ebene Vollscheibe, übergeht, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringscheibe als eine mit der Vollscheibe (8) einen verlustarmen Diffusor (7,8) bildende Leitscheibe (7) gestaltet ist und die Gasströmung in der Form eines von dem Ringspalt (10) frei ausströmenden, dünnen Schleiers gegen die Wandung des Topfes (1) gerichtet wird, und daß der Topf (1) eine in Achsrichtung des Diffusors (J, 8) langgestreckt Form hat, wobei der Diffusor bezüglich der Längserstreckung des Topfes (1) etwa in der Mitte angeordnet ist

2. Schalldämpfer nach Anspruch 1 mit einem kreiszylindrischen, zum Eintrittsrohr koaxialen Topf, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der kreiszylindrischen Topfwanaang und der Peripherie der Scheiben (7,8) ungefähr dem Fünffachen der Weite des Ringspalts (10) entspricht

3. Schalldämpfer nach Anspruch 1 oder 2, mit einem kreiszylindrischen, zum Eintrittsrohr koaxialen Topf und in diesem angeordneten Schallschluckmaterial, das den im Topf befindlichem/Teil des Eintrittsrohrs umgibt, dadurch gekennzeichnet, daß das Schallschluckmaterial (15) sich in ■'""•tierrichtung des Eintrittsrohrs (5) von diesem bis zu einem Abstand von der kreiszyiindrischen Wandung des Topfes (1) erstreckt.