DE2703865C2

DE2703865C2 - Einrichtung zum Absorbieren akustischer Energie aus einer Gasströmung

Info

Publication number: DE2703865C2
Application number: DE19772703865
Authority: DE
Inventors: Carl Matthews; Elizabeth de London Recourt Martyn
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-02-03
Filing date: 1977-01-31
Publication date: 1982-11-11
Also published as: NL7701023A; AU2183577A; BE851006A; GB1568686A; CA1108061A; JPS5296002A; SE7701125L; DE2703865A1; IT1076861B; FR2340499A1; AU512114B2; FR2340499B1

Description

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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Absorbieren akustischer Energie aus einer Gasströmung, die gegebenenfalls mit einer Flüssigkeit vermischt ist, mit einem Rohr und einer darin angeordneten, flexible Fasern enthaltenden Oberfläche, an der die Strömung entlang fließt.

Bei einer bekamen Einrichtung dieser Art (DE-OS 20 03 094) wird aL> schallabsorbierendes Material ein Glasfasergewebe, d. h. also ein Flachgewebe verwendet, das in mehreren Lagen angeordnet ist, welche mit Kunstharz untereinander verbunden sind. Die Strömung kommt dabei mit der das Glasfasergewebe Oberdeckenden Kunststoffschicht in Kontakt, d. h. mit einer geschlossenen Oberfläche, die sich auf einer Gewebeunterlage befindet, so daß die Schallabsorption begrenzt ist.

Weiterhin ist ein Schalldämpfer bekannt (DE-PS 5 99 977), der in einem rohrförmigen Gehäuse radial nach innen ragenac- Drahtbüschel enthält, /.wischen denen das von einer Ve/brenn ,igskraftmaschine 1% kommende Abgas sich verteilen und hindurchströmen soll, um die Schallabsorption zu erzielt Der Gasstrom wird daher im Schalldämpfer verlangsamt und unter Umständen sogar laminar, wodurch sich ein Rückdruck ergibt, der zu einem unerwünschten Leistungsabfall der aq Brennkraftmaschine führt.

Bei einen anderen bekannten Schalldämpfer für Brennkraftmaschinen (GB-PS 4 63 354) sind für die Schallabsorption wiederum in einem rohrförmigen Gehäuse radial stehende Drahtbüschel vorgesehen. zwischen denen die Abgase der Brennkraftmaschine hindurchgeleitet werden. Bei diesem Schalldämpfer ist der dem Durchstrom entgegenstehende Widerstand noch stärker, so daß auch ein größerer Rückdruck entsteht, der zu einem großen Leistungsabfall an der Brennkraftmaschine führt. Hinzu kommt, daß dieser bekannte Schalldämpfer sehr kompliziert aufgebaut und daher kostspielig ist.

Bei Absorptionsschalidämpfern ist es bekannt, die Innenwände von Strömungskanälen mit einer aus Fasern bestehenden Schluckstoffschicht zu belegen (Kurze. Physik und Technik der Lärmbekämpfung. 1975, Seiten 15b bis 177; Harris, Handbook of Noise Control. 1957. Seiten »34-19« bis »34-38« und Zeller. Technische Lärmabwehr. 1950, Seiten 60 bis 67 und 80 bis 92). Für derartige Zwecke sind die verschiedensten Fasermate rialien geeignet. Die Fasern sind filzartig oder fliesartig auf die Innenwände des Strömungskanals aufgeschich^ tet,- so daß die Schlückstoffschichl nur eine begrenzte Schallabsorptionsfähigkeit hat, andererseits aber den lichten Durchströmraum innerhalb des Strömungskarials begrenzt Und daher bei gleichbleibenden Außenab^ messurigen des StförnUrtgskartals einen Rückdruck in demselben aufbaut

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, akustische Energie aus einer Gasströmung, die gegebenenfalls mit einer Flüssigkeit wie Wasser vermischt sein kann, innerhalb eines Strömungskanals wirksam zu entfernen, ohne dabei die kinetische Energie der Strömung merklich zu verringern und dementsprechend ohne einen spürbaren Rückdruck aufzubauen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Einrichtung der eingangs genannten Gattung dadurch gelöst, daß die Fasern dicht beieinander jeweik mit einem Ende an der Innenwand des Rohres befestigt sind und sich das jeweils andere Ende in Richtung zur Strömung erstreckt.

Die erfindungsgemäße Einrichtung enthält in einem Strömungskanal wie einem Rohr eine homogene Absorptionsschicht, die aus mit ihren einen Enden an der Innenwand befestigten Fasern gebildet ist und über weiche die Strömung hinwegstreicht, ohne zwischen den von der Innenwand des Strömungskanals hochstehenden Fasern hindurchtreten zu müssen. Die von der Absorptionsschicht gebildete Oberfläche bietet der Strömung, welche eine trockene Abgasströmung oder auch eine mit einer Flüssigkeit wie Kühlwasser vermischte Gasströmung sein kann, einen vernachlässigbar kleinen Strömungswiderstand, so daß beim Durchstrom durch die Einrichtung praktisch keine kinetische Energie verloren geht, während andererseits akustische Energie sebr gut absorbiert wird. Die Einrichtung ist besonders vorteilhaft im Abgassystem der Verbrennungsmotore von Landfahrzeugen, Schiffen und/oder Flugzeugen verwendbar, wobei auch mit Wasser gekühlte »flüssige« Abgasströmungen behandelt werden können.

Die Fasern bestehen zweckmäßig aus organischem Werkstoff, wenn die Einrichtung für das Abgassystem eines Schiffsmotors, bei dem die Abgase mit eingeleitetem Wasser gekühlt werden, bestimmt ist. und aus hitzebeständigem und unlöslichem organischen Werkstoff, wenn die Einrichtung für die Behandlung trockener Abgase von Landfahrzeugen oder Flugzeugen bestimmt ist.

Im letztgenannten Falle können die Fasern aus Silikat. Keramik, Kohle oder dergleichen bestehen.

In der Zeichnung ist zur weiteren Erläuterung der Erfindung ein Ausführungsbeispiel der Einrichtung zum Absorbieren akustischer Energie dargestellt, und zwar in Form eines Teillängsschnittes durch ein Rohr mit an dessen Innenwand dicht nebeneinander angeordneten hochstehenden Fasern.

Die Innenwand dts Rohres 10 ist mit einer Auskleidung aus in einer Richtung verlaufenden und dicht beieinander liegenden Fasern 11 versehen, ähnlich wie gewisse Arten von Naturfrllen. Dabei verläuft die Mehrzahl der Fasern 11. nachdem sie von der Innenwand, an der sie verwurzelt sind, senkrecht hervortreten, parallel oder im wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung.

Mit einer derartigen Anordnung wird aus Abgas akustische Energie in einem sehr hohen Grade absorbiert, ohne eine wesentliche Abnahme der kinetischen Energie des strömenden Gases hervorzurufen. Daher erhält man ein völlig geräuschloses Äbgässystem, das keinen meßbaren Staudruck oder bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten einen Druck von so geringem Wert hervorruft, daß der Motor mit höherem Wirkungsgrad als es normalerweise der Fall ist arbeitet. Die aus abwechselnden Verdichtungen und

Unterdrücken bestehenden Wellen akustischer Energie sowohl longitudinaler als auch transversaler Ausbreitung werden aufgrund der Vielzahl von Phasenänderungen, der Umwandlung in Wärme und der Umwandlung in mittels der sehr großen Anzahl von Luftsäulen sehr kleinen Durchmessers zwischen den Fasern gewonnenen hohen Viskosität absorbiert.

Um den Abgasen einen Durchstrom durch das Rohr 10 ohne Widerstand zu ermöglichen, wird die normalerweise erforderliche minimale Querschnittsfläehe als ein Lterraum 12 in der Mitte des Faserfeldes beibehalten. Der ringförmige Raum zwischen dem Leerraum 12 und der Innenwand des Rohres 10 wird von den Fasern 11 eingenommen.

Die Fasern sind mit ihren Wurzeln mechanisch oder adhäsiv an der Innenwand des Rohres 10 oder auf einer Unterlage, die an der Innenwand des Rohres angebracht ist, befestigt. Entsprechend ihrer Zusammensetzung können die Fasern zum Beispiel elektrochemisch, kataphoretisch oder durch Präzipitation aufgebracht sein. Darüber hinaus können die Fasern von einem stabilen Halter, der einen Gegendruck auf die Auskleidung von der Strömungsfiäche ausübt, in Abständen abgestützt oder zusätzlich abgestützt sein, wobei der Halter eine kleine Querschnittsfläche aufweist. Ein Beispiel für einen solchen Halter ist eine Anordnung aus Ruten kleinen Durchmessers oder eine Spirale aus Rundeisen oder Draht, die so eingeführt ist, daß sie im wesentlichen in der Auskleidung vollständig verschwindet.

Der Halter kann zum Beispiel auch aus einem feinen Drahtgeflecht oder Maschengeflecht mit einem sehr hohen prozentualen Anteil umschlossener freier Luftfläche bestehen. Die Wirksamkeit der akustischen Absorption der Auskleidung ist umso geringer, je ü größer die Gesamtfläche eines solchen stabilen und festen Halters ist. die nicht ausreichend von der Auskleidung aus Fasern 11 innerhalb des Rohres 10 umschlossen ist.

Falls von der Auskleidung nicht bedeckte Stellen unvermeidlich den in der Strömung vorhandenen Schallwellen ausgesetzt sind, sollte vorbeugend eine Anordnung getroffen werden, damit im Falle des spiralförmigen Drahtes die Tonhöhe oder Wellenlänge ein ungerades Vielfaches der Gesamtlänge des nicht ή unterbrochenen Rohrabschnittes ist. Ein gerades Vielfaches könnte nämlich Harmonische bei gewissen Frequenzen hervorrufen.

Die Fasern 11 können sich von der Innenwand des Rohres 10 aus auch senkrecht erstrecken und diese v> senkrechte Richtung über ihre gesamte Länge beibehalten. Hierbei können die Fasern von der Strömung in einigem Abstand von ihren Wurzeln umgebogen werden. Um eine optimale oder ökonomisch günstigste Auskleidung zu schaffen, ist ein Verhältnis gegeben, das den Betrag auftreffender Energie und die statistischen Daten der Fasern, der Anzahl der Fasern pro Flächeneinheit, der Dichte und des spezifischen Gewichtes der Fasern, des Young'schen Moduls, des Durchmessers und der Länge der Fasern, insbesondere in jenem Teil der Faserauskleidung, der parallel zur Strömungsrichtung verläuft, der effektiven Dicke oder Tiefe der Wurzeln, der Umgebungsfeuchtigkeit und der Länge der so ausgekleideten axialen Strecke berücksichtigt.

Es wurden zwei Ausführungsbeispiele der Einrichtung gelestet, Wübei die relativen Merkmale angenäherter Geräuschpegel,Temperaturen und Staudruckwerten auf einer genau vergleichbaren Basis festgehalten wurden, so daß absolute Werte nicht erforderlich waren. Das eine Ausführungsbeispiel war für feuchte Abgase und das andere Ausführungsbeispiel für trockene Abgase bestimmt

Ein Motor mit einem Hubraum von 1100 cm³ wurde benutzt, der für StraQenfahrzeuge und auch für kleine Schiffe geeignet ist.

Die Temperatur der aus einem für Schiffe benutzten derartigen Motor austretenden trockenen Abgase betrug 500 bis 720⁰C entsprechend der Geschwindigkeit der Abgase. Einige Zentimeter stromabwärts ist die Temperatur bei Kühlung mittels eingeleitetem Wasser bereits auf 40 bis 60°C gesunken, v/enn neun bis elf Liter Wasser pro Minute eingeleitet werden. Temperaturen von 40 bis 6O⁰C sind für einige organische Fasern verträglich. Bei den Versuchen wurde ein Fasermaterial aus 80% chlorhaltigem Kunststoff, der aus Polyvinylchlorid vermischt mit einem Acrylnitril hergestellt wurde, mit einem Einzeltiter im Bereich von 8 m.u. für die Rohrauskleidung verwendet, die wie in der Zeichnung gezeigt ausgeführt war. Die Aur" !eidung wies eine Puiyesterunterlagc mit einer Verstärkung aus Polyacry lat auf, wobei alle Werkstoffe in kochendem Seewasser unlöslich waren.

Für den Test mit Wasserkühlung der Abgase wies das ausgek'eidete Rohr eine Länge von 330 cm auf, während die Fasern eine unbeanspruchte oder in ihrem senkrechten Teil gemessene Länge von 20 mm hatten.

Das ausgekleidete Abgassystem wurde mit einem normalen handelsüblichen System gleicher Rohröffnung verglichen, das einen üblichen Schalldämpfer enthielt. Dieses bekannte System wird auch bei Schiffsmotoren standardmäßig installiert.

Bevor das ausgekleidete Abgassystem getestet wurde, war Vorsorge dafür getroffen worden, daß das eingeleitete Wasser wieder vom Abgas getrennt wurde, damit die gekühlten Abgase trocken oder relativ trocken waren. Dabei ist darauf hinzuweisen, daß die akustische Absorption umso besser ist, je trockener die Fasern sind.

Während des Testes wurde der Motor jeweils mit 2200. 3500 und 5500 UpM gefahren. Das herkömmliche Abgassystem rief Geräuschpegel bis ungefähr 65 dBA und Staudruckwerte von 75, 250 und 460 mm/WS hervor. Bei weiterer Beschleunigung stieg der Staudruck steil auf 760 mm/WS an.

Dann wurde das Abgassystem mit einer ausgekleideten einfachen Rohrleitung ohne zusätzlichen Schalldämpfer getestet und mit dem herkömmlichen Abgassystem verglichen. Bei 5500 UpM und darüber war das ausströmende Abgas geräuschlos, und daraufhin mußte die Rohrleitung auf 270 cm gekürzt werden, bevor der hörbare Schwellenwert des Geräuschpegels erreicht

Bei den angegebenen Drehzahlen betrugen die Staudruckwerte 0 12.25 und 50 mrn/WS.

Nullanzeigen spiegelten die geringe Trägheit des Manometers wider, und die oben angegebenen Werte sind korrigierte Anzeigen, d. h. Werte nach Abzug de^ durch die herun.ergebogene Rohrleitung hinter dem Verteiler hervorgerufenen Staudrucks, der ein allgemeiner Faktor während aller Versuche! wan

Das ausgekleidete Abgässystem erzeugte daher nur ungefähr ein Achtel des Staudruckes herkömmlicher Abgassysteme, und zwar als Mittelwert der Kurven, Je größer die Geschwindigkeit, desto größer ist auch die Differenz zwischen den Kurven,

Dann wurden die Tests mit trockenen Abgasen durchgeführt. Zuerst war an dem Motor das herkömmliche Abgasrohrleitungssystem mit dem für ihn vorgesehenen Schalldämpfer angeschlossen.

Die Versuche ergaben korrigierte Anzeigen von 50 i bis 75 mm/WS bei 2000 bis 2500 UpM, 75 bis 100 mm/WS bei 3300 bis 4000 UpM und 250 mm/WS bei 5500 UpM. Dabei stieg der Geräuschpegel wieder auf einen meistens in den Städten festzustellenden Unerträglichen Wert an. id

Dann wurde das Abgassystem mit ausgekleideter Rohrleitung von 300 cm Länge ohne zusätzlichen Schalldämpfer verwendet und erzeugte selbst bei einer Entfernung von 30 cm vom Abgasauslaß keinen hörbaren Ton. Es wurden Staudrückanzeigen von 25,37 r, und 63 mm/WS abgelesen.

Die ausgekleidete Rohrleitung wurde dann laufend bis auf 60 cm Länge gekürzt und erzeugte dann am Auslaß einen annähernd ähnlichen Geräuschpegel wie die herkömmliche Rohrleitung mit Schalldämpfer mit der Ausnahme, daß die höheren Frequenzen herausgefiltert waren, so daß das Geräusch für das menschliche Ohr erträglicher war. Bei der stark gekürzten Länge der ausgekleideten Rohrleitung ergaben sich Staudruckwerte von 1,12 bis 25 und 50 mm/WS.

Dieser Test ergab, daß in einem trockenen Abgassystem die ausgekleidete Rohrleitung nur ungefähr ein Sechstel des Staudrucks einer herkömmlichen Rohrleitung mit Schalldämpfer hervorruft.

Bei Verwendung eines gewirkten Bandes aus jo oxydierten Acrylfasern oder eines geschliffenen getufteten Glasfascrmaterials für die Auskleidung zeigte sich der Einfluß einer größeren Anzahl von Einzelfäden pro Flächeneinheit. In diesen Fällen waren sie etwa doppelt so hoch.

Der Staudruck wurde darin bei 2000 UpM auf 0,75, bei 2600UpM auf 1.25 und bei 3500 bis 4000 UpM auf 2,25 mm/WS weiter verringert.

Es ist interessant, daß gelüftetes lcppichartiges Material eine Verbesserung von 3 bis 5 dBA im genannten Bereich der Motordrehzahleii gegenüber einem aus oxydierten acrylischen Fasern gewirkten Band brachte.

Bei Versuchen wurde festgestellt, daß ein Gas auch bei hoher Geschwindigkeit geräuschlos aus dem Auslaß eines Rohres, wie zum Beispiel einer Druckluftleilung, ausströmen kann. Weiterhin kann diese Technik auf jenen Gebieten der Akustik vorteilhaft eingesetzt werden, in denen pulsierende Wellen hohe Geräuschpegel hervorrufen, weil die absorbierende Wirkung der Auskleidung einzigartig ist.

Bei den oben erörterten Ausführungsbeispielen legen sich die Fasern in Richtung der Strömung, um eine minimale Abnahme der kinetischen Energie zu erzielen. Paradoxerweise kann in gewissen Fällen auch das Umgekehrte zutreffen. Ein Beispiel für diesen Fall ist, daß es bei einigen Abgassystemen für Schiffsmotore nicht nur vorzuziehen, sondern äußerst wichtig ist, Seewasser überhaupt daran zu hindern, unter der Gewalt ein^r hohen Welle zum Motor vorzudringen. Die beschriebene Auskleidung setzt einem solchen Rückfluß einen deutlichen Widerstand entgegen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Einrichtung zum Absorbieren akustischer Energie aus einer Gasströmung, die gegebenenfalls mit einer Flüssigkeit vermischt ist, mit einem Rohr und einer darin angeordneten, flexible Fasern enthaltenden Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (11) dicht beieinander jeweils mit einem Ende an der Innenwand des Rohres (10) befestigt sind und sich das jeweils andere Ende in Richtung zur Strömung erstreckL