BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft einen Ansaugschalldämpfer für eine Brennkraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten
Art sowie ein Kraftfahrzeug mit Brennkraftmaschine und Auflader mit einem Ansaugschalldämpfer.
Ein Ansaugschalldämpfer der vorstehend genannten Art ist aus der Druckschrift US 4 350 223 A bekannt. Dieser Ansaugschalldämpfer ist in
eine flexible, aus einem Wellschlauch bestehende Leitung eingesetzt, die eine die Umgebungsluft ansaugende Öffnung in der Karrosserie des
Kraftfahrzeugs mit dem Ansaugstutzen des Luftfilters verbindet. Dieser
Ansaugschalldämpfer dämpft die im Einsaugbereich entstehenden Luftgeräusche innerhalb eines schmalen Frequenzbandes, das sich zu
beiden Seiten der Resonanzfrequenz des Resonators ausdehnt.
Einen in gleicher Weise aufgebauten Resonator sieht die technische Lehre
der deutschen Offenlegungsschrift DE 32 34 634 A1 vor, der unmittelbar im Ansaugstutzen des Filters integriert ist. Zwei Reihen von Öffnungen
verbinden den als Ansaugrohr des Ansaugschalldämpfers dienenden Ansaugstutzen des Filters mit dem Innenraum des umgebenden
Resonators. Dabei sind diese beiden Reihen von Öffnungen so angeordnet, daß sie, bezogen auf die spezifische Eigenresonanzfrequenz
des Ansaugstutzens eine &lgr;/2- und &lgr;/4-Dämpfung bewirken. Dadurch wird die Effektivität des Dämpfers verbessert, nicht aber seine effektive
Frequenzbreite.
Ein mit Dämmaterial „gestopfter" Ansaugschalldämpfer vergleichbarer
Bauart integriert in den Ansaustutzen eines Ladeluftkühlers ist aus der deutschen Patentschrift DE 35 31 353 C2 für eine Brennkraftmaschine mit
Auflader bekannt.
Die Ansaugschalldämpfer des vorstehend beispielhaft dargestellten Standes der Technik zeigen insgesamt den Nachteil, nur innerhalb eines
vergleichsweise schmalen Frequenzbandes brauchbar zu dämpfen.
Aus der internationalen Patentanmeldung WO 92/14922 A1 ist bekannt,
einen breitbandig wirkenden Ansaugschalldämpfer durch Parallelschalten unterschiedlich langer gedeckter Seitenrohrresonatoren herzustellen.
Obwohl diese Resonatoren zum Teil durch eine labyrinthartige Bauweise
raumsparend ausgelegt sind, bleibt dieser Ansaugschalldämpfer doch noch immer so raumgreifend, daß er im Kraftfahrzeugbau praktisch nicht
verwendbar ist.
Um für Ansaugschalldämpfer einerseits eine effektive Breitbandigkeit
herzustellen, andererseits aber eine ausladende Bauweise zu vermeiden, sind aus der europäischen Patentschrift EP 242 797 B1 für Diffusoren und
aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 41 43 408 A1 für einen Seitenzweigresonator durch Klappen und Ventile abstimmbare
Dämpfersysteme bekannt, die nach Maßgabe der Motordrehzahl stellbar sind.
Der Nachteil dieser Systeme besteht darin, daß trotz dem Erfordernis einer
mehr oder minder aufwendigen Regelvorrichtung noch immer erheblich mehr Einbauraum benötigt wird als für die eingangs beschriebenen
schmalbandigen Durchflußresonatoren.
Diesem Stand der Ansaugschalldämpfung steht der zunehmende Druck
des wachsenden öffentlichen Umweltbewußtseins gegenüber, das Kraftfahrzeuge mit einem deutlich geringeren Kraftstoffverbrauch fordert.
Zur Verwirklichung dieses Ziels sind Auflader, und zwar hochwirksame Auflader, in Zukunft unvermeidbar.
Die derzeit zu diesem Zweck eingesetzten Turbolader arbeiten zu diesem
Zweck mit Rotor-Drehzahlen bis nahezu 200 000 min1. Es ist verständlich,
daß Turbolader mit einem derart hohen Anforderungsprofil nur mit Fertigungstoleranzkompromissen praxisnah wirtschaftlich bleiben können.
Hierauf ist die starke akustische Abstrahlung solcher Turbolader, nämlich das typische „Turboladerpfeifen" im Frequenzbereich von rund 2-4 kHz,
zurückzuführen. Dabei entstehen durch die Ladevorgänge selbst in der Ansaugleitung noch einmal im Frequenzband von 4 - 6 kHz liegende
deutlich abstrahlende breitbandige Geräusche, die als „Fauchen" bezeichnet werden.
Dies bedeutet, daß umweltfreundlichere Kraftfahrzeuge in absehbarer
Weise nicht ohne Breitband-Luftschallabsorber auskommen werden, die insbesondere zur Ansaugschalldämpfung in Kraftfahrzeugen mit
Brennkraftmaschinen, die von einem Auflader aufgeladen werden, ein Frequenzband im Bereich von 2-6 kHz wirksam zu dämpfen vermögen.
Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, einen sicherlich auch anderweitig einsetzbaren Breitband-Luftschallabsorber,
speziell jedoch einen Ansaugschalldämpfer für eine Brennkraftmaschine zu schaffen, der bei kleinstmöglichem und flexibel anpaßbarem
Bauvolumen in flexibler Anpassung an die spezifischen Einsatzerfordernisse Luftschallgeräusche über ein breites Frequenzband
gleichmäßig wirksam zu dämpfen vermag. Speziell soll ein solcher Ansaugschalldämpfer in der Lage sein, die bei
Kraftfahrzeugbrennkraftmaschinen durch Turbolader erzeugten und lautstark abgestrahlen Störgeräusche im Frequenzband von rund 2 - 6 kHz
so zu dämpfen, daß sie sowohl außerhalb des Fahrzeugs als auch im Fahrzeug selbst praktisch nicht mehr wahrnehmbar sind.
Zur Lösung dieser Aufgabe weist ein Ansaugschalldämpfer der eingangs
genannten Art die im Patentanspruch 1 genannten Merkmale auf.
In einem Kraftfahrzeug mit Aufladung der Brennkraftmaschine erzielt ein
Ansaugschalldämpfer dann die größte Wirkung, wenn er entsprechend der Merkmale des Anspruchs 13, insbesondere der Merkmale des Anspruchs
14, in den Ansaugkanal eingeschaltet ist.
Der Ansaugschalldämpfer gemäß der Erfindung ist dementsprechend so
aufgebaut, daß die Ansaugluft den Dämpfer durchströmt, und zwar in einem Ansaugrohr, das über die geamte axiale Länge, auf der die
Dämpfung bewirkt wird, von einem einzigen, vorzugsweise zweischalige ausgebildeten Resonatorgehäuse umgeben ist. Innerhalb dieses
Resonatorgehäuses ist das Ansaugrohr in an sich bekannter Weise mit Öffnungen versehen, durch die hindurch der Störschalldruck in an sich
ebenfalls bekannter Weise durch Resonnanz in der vom Resonatorgehäuse gebildeten Kammer absorbiert wird.
Nach der Erfindung ist nun dieser durch das Resonatorgehäuse um das
gelochte Ansaugrohr herzum gebildete Ringraum durch quer zum axialen
Verlauf des Ansaugrohres ausgerichtete Kammerwände in eine Folge in axialer Richtung aufeinanderfolgender Resonatorkammern mit jeweils
voneinander verschiedenem Volumen unterteilt. Diese Kammerwände sind zweckmäßigerweise am Resonatorgehäuse selbst angeformt und
umschließen ein als Einlegeteil ausgebildetes Ansaugrohr. Alternativ kann jedoch ohne weiteres auch das Ansaugrohr fest mit den dieses
umschließenden Kammerwänden ausgebildet und in dieser Form als Einlegeteil im Resonatorgehäuse eingebracht sein. Entscheidend ist
lediglich, daß die in dieser Weise gebildeten Resonatorkammern hermetisch gegeneinander abgegrenzt sind. Dabei bedeutet „hermetisch
gegeneinander abgegrenzt", daß die einzelnen Kammern pneumatisch und
akustisch so gegeneinander abgegrenzt sind, daß die von ihnen umschlossenen Luftvolumina in leicht ansprechbarer Weise und nach dem
Einschwingen ungestört ein stabiles Resonanzschwingverhalten aufrechterhalten können. Zu beachten ist dabei, daß weder das
Ansaugrohr, noch das Resonatorgehäuse eine lineare Längsachse aufzuweisen brauchen, koaxial ausgelegt zu sein brauchen oder gar
rotationssymmetrisch ausgelegt sein müssen. Das Resonnanzverhalten jeder einzelnen Resonatorkammer ist letztendlich nur durdh das
schwingfähige Luftvolumen hinsichtlich seiner Resonanzfrequenz bestimmt, und nicht dadurch, daß alle Kamerwände parallel zueinander
stehen, das Ansaugrohr zentral im Resonatorgehäuse verläuft oder gar die Kammerwände parallel zueinander angeordnet sind.
Entscheidend ist weiterhin, daß der im Ansaugluftstrom auftretende
Schalldruck durch die Öffnungen hindurch auf jede der im Resonatorgehäuse ausgebildeten Kammern einwirken kann, und zwar auf
jede dieser Kammern separat, ohne daß eine der Kammern durch eine der Öffnungen im Ansaugrohr über die Kammertrennwände hinweg zur
Nachbarkammer überbrückt wird.
Aufgrund dieser Gegebenheiten läßt sich der Ansaugschalldämpfer der
Erfindung bei kleinstmöglicher Baugröße praktisch jedem verfügbaren Einbauraum anpassen.
Für jede der einzelnen Resonatorkammern läßt sich das dieser zugeordnete dämpfende Resonanzband primär durch die Bemessung des
Kammervolumens und durch die Wandstärke der Ansaugrohrwand im Bereich der der jeweiligen Kammer zugeordneten Öffnungen abstimmen.
Für die dabei pro Kammer einstellbare Bandbreite gilt grundsätzlich, daß das wirksame Frequenzband umso breiter wird, je kleiner die
Öffnungsfläche wird. Mit kleiner werdender Öffnungsfläche nimmt jedoch
auch der Betrag der Dämpfung ab, so daß ein Kompromiß zwischen der
erforderlichen Dämpfungswirkung und der erzielbaren Breitbandigkeit der Dämpfung jeder Kammer eingestellt werden muß.
Um hierbei einen lückenlosen Breitband-Luftschallabsorber zu erhalten,
wird dann die Nachbarkammer so abgestimmt, daß sich die beispielsweise obere Frequenz des Absorptionsbandes eine Kammer und die untere
Frequenz des Absorptionsbandes der Nachbarkammer ausreichend breit überlappen. In diesem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft erwiesen,
die aufeinanderfolgenden Kammern so auszulegen, daß deren Volumina von einer zu nächsten Zelle stetig abnimmt oder zunimmt. Dies soll
bedeuten, daß in einer bestimmten Richtung das Resonatorkammervolumen der in axialer Folge unmittelbar
aufeinanderfolgenden Kammern stetig zunimmt, und zwar durchgehend von der ersten bis zu letzten Kammer, und in umgekehrter Richtung
dementsprechend stetig abnimmt. Dabei ist das Aufsteigen oder Absteigen der Kammervolumina von Kammer zu Kammer unabhängig von der
Richtung, in der die Ansaugluft den Ansaugschalldämpfer durchströmt. In
beiden Fällen wird die gleiche akustische Dämpfung erzielt.
Auf diese Weise lassen sich beispielsweise auf einer Länge des Resonatorgehäuses von nicht einmal 30 cm und einer Folge von 5 bis 10
Kammern Ansaugschalldämpfer abstimmen, die praktisch lückenlos ein Dämpfungsfrequenzband im Bereich von 1-10 kHz erfassen.
Das Ansaugrohr und der Resonator des Ansaugschalldämpfers der Erfindung können prinzipiell aus beliebigen Werkstoffen hergestellt
werden. Dabei können im Gegensatz zu den bekannten einkammrigen Schmalband-Ansaugschalldämpfern beim Ansaugschalldämpfer der
Erfindung die Ansaugleitung und das Resonatorgehäuse auch aus dem gleichen Werkstoff gefertigt werden, da die Resonatorgehäuseschale
praktisch keine Abstrahlung aufweist. Auch brauchen keine zusätzlichen
Dämpfungswerkstoffe verwendet zu werden, um ein Abstrahlen der Geräusche aus dem Resonatorgehäuse zu unterbinden.
Vorzugsweise wird der Ansaugschalldämpfer der Erfindung aus wärmebeständigem, vorzugsweise faserverstärktem Kunststoff, aus
Hartgummi oder auch aus porösen Sinterwerkstoffen oder porösen Werkstoffen, vor allem aus Aluminium, hergestellt.
Für die Ankopplung des in jeder einzelnen Resonatorkammer verfügbaren
Luftvolumens an den Schalldruck in der Ansaugleitung und für die sich in der jeweiligen Resonatorkammer einstellende dämpfende Eigenfrequenz
und der Breite ihres wirksamen Frequenzbandes sind, wie dargestellt, lediglich die Fläche der einzelnen Öffnung, die Anzahl der Öffnungen je
Kammer und die Wandstärke des Ansaugrohres bestimmend. Die geometrische Form der einzelnen Öffnung dagegen ist grundsätzlich ohne,
zumindest ohne nennenswerten Einfluß auf die Kenndaten des Ansaugschalldämpfers der Erfindung. So können die die einzelnen
Resonatorkammern mit dem Inneren des Ansaugrohres verbindenden Öffnungen sowohl rund, d.h. genau genommen zylindrisch, sein, als auch
oval, eiförmig, schlitzförmig als auch vieleckig ausgebildet sein. Vorzugsweise sind jedoch sämtliche Öffnungen des Ansaugrohres mit
kreisförmigem Querschnitt ausgebildet. Eine solche Ausgestaltung des Ansaugschalldämpfers erleichtert seine Abstimmbarkeit.
Beim Einsatz in Kraftfahrzeugen mit Aufladern ist der in seiner Wirkung
praktisch strömungsverlustfrei arbeitende Ansaugschalldämpfer vorzugsweise zwischen dem Lader und dem Ladeluftkühler unmittelbar in
die Ansaugleitung eingeschaltet. Dabei ist der Ansaugschalldämpfer der Erfindung weiterhin prinzipiell so dicht wie möglich am Druckstutzen des
Laders anzuschließen, insbesondere unmittelbar an diesen anzuflanschen
oder über eine möglichst kurze akustisch isolierende Verbindung an diesen
anzuschließen, oder aber, vorzugsweise, unmittelbar in den Druckstutzen des Turboladers zu integrieren, beispielsweise in der aus der deutschen
Patentschrift DE 35 31 353 C2 für den Ansaugstutzen eines Ladeluftkühlers bekannten Art und Weise.
Die Erfindugn ist im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels in
Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur, nämlich die
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in perspektivischer Darstellung und bei abgenommenem Deckel des
Resonatorgehäuses.
Der in Fig. 1 gezeigte Ansaugschalldämpfer 1 für eine Brennkraftmaschine
besteht aus einem die Ansaugluft im Durchstrom führenden Ansaugrohr 2 und einem dieses unter Bildung eines geschlossenen Ringraumes 2
umschließenden zweischalig ausgebildeten Resonatorgehäuse 4, wobei in der Fig. 1 der besseren Übersichtlichkeit halber lediglich eine der beiden
paßgenau zusammenfügbaren Gehäuseschalen gezeigt ist. Der Ansaugschalldämpfer 1 ist mit einem Einlaßstutzen 5 und einem
Auslaßstutzen 6 zum Einschalten in die Ansaugleitung der Brennkraftmaschine ausgerüstet. Dabei ist zum Zwecke der besseren
Beschreibung der Erfindung vorliegend der Einlaßstutzen 5 als einteilig mit dem Ansaugrohr ausgebildet dargestellt, während der Auslaßstutzen 6 als
einstückig mit der dargestellten Resonatorgehäuseschale verbunden gezeigt ist. Diese Art der Ausgestaltung der Anschlußstutzen ist prinzipiell
beliebig austauschbar. Vorzugsweise sind jedoch beide Anschlußstutzen, also sowohl der Einlaßstutzen als auch der Auslaßstutzen, einstückig mit
dem Resonatorgehäuse ausgebildet und zwar in vorzugsweise der Weise, daß einer der beiden Anschlußstutzen an einer der beiden
Resonatorgehäuseschalen, der andere an der jeweils anderen Gehäuseschale angeformt oder anderweitig mit dieser ausgebildet sind.
Dies bewirkt, daß bei einer zweischaligen Ausgestaltung des Ansaugrohres als Einlegteil in das Resonatorgehäuse ein vorspannend
schließender und Dichtzwecken dienender Schließdruck beim Verschließen des Resonatorgehäuses durch Schweißen, Verschrauben
oder anderweitig ausgeübt werden kann.
In der Rohrwand des Ansaugrohres 2 sind Öffnungen 7 ausgebildet, die
das Innere des Ansaugrohres 2 mit dem Ringraum 3 des Resonatorgehäuses 4 verbinden. Jede dieser Öffnungen ist im Querschnitt
kreisförmig ausgebildet, und hat bei einer Wandstärke des Ansaugrohres 2 im Öffnungsbereich von 2 mm einen Durchmesser von 3 mm.
Quer zur Längsachse des Ansaugrohres 2 sind in jeder der beiden Halbschalen des Resonatorgehäuses 4 sich beim aufsetzenden Schließen
des Gehäusedeckels schließend ergänzende Kammerwände 8 ausgebildet, die bei geschlossenem Ansaugschalldämpfer die äußere
Oberfläche des Ansaugrohresss 2 dichtend umschließend. Auf diese Weise werden bei geschlossenem Resonatorgehäuse im Resonator in
axialer Folge aufeinanderfolgend Resonatorkammern 9 gebildet, die jeweils eine von der anderen abweichende Volumina aufweisen. Dabei
sind die einzelnen Kammervolumina nicht nur durch die Abstände der Kammertrennwände 8 voneinander, sondern auch durch die spezifische
Gestaltung des Resonatorgehäuses 4 selbst bestimmt.
Die Öffnungen 7 sind im Ansaugrohr 2 so angeordnet, daß jede der Resonatorkammern 9 mit dem Inneren des Ansaugrohress 2 verbunden ist
und zwar in der Weise, daß dabei keine der Kamerwände überbrückt, d.h. mit einer der benachbarten Kammern kurzgeschlossen wird.
Wie in der Fig. 1 schematisch dargestellt, weisen alle Öffnungen 7 des
Ansaugrohres 2 die gleiche geometrische Konfiguration und die gleichen Dimensionen auf.
Im Idealfall sollten sowohl die Verteilung als auch die Anzahl der im
Ansaugrohr 2 pro Kammer 9 vorgesehene Öffnungen 7 von Kammer zu Kammer identisch sein. In der in Fig. 1 schematisch dargestellten Weise
wird sich dies in der Praxis jedoch nur selten verwirklichen lassen, da auf Raumgestaltungen und Baugrößen des Ansaugschalldämpfers in
konstruktiver Hinsicht Rücksicht zu nehmen ist.
In der in Fig. 1 dargestellten Weise ist das Ansaugrohr innerhalb des
Resonatorgehäuses 4 mit einem ovalen Querschnitt ausgebildet, wobei ein vom Einlaßstutzen 5 bis zum Auslaßstutzen 6 durchgehender rinnenartiger
Bereich des Ansaugrohress 2 keine Löcher 7 aufweist. Dies dient dem Zweck, mit der Ansaugluft mitgeführte Feuchtigkeit, beispielsweise
Luftfeuchtigkeit oder Ölstaub, beim Kondensieren im Ansaugarohr 2 nicht in die Resonatorkammern 9 durch die Öffnungen 7 hindurch abtropfen zu
lassen, sondern dieses Kondensat ohne Austritt in das Resonatorgehäuse aus dem Auslaßstutzen 6 des Ansaugschalldämpfers 1 herauslaufen zu
lassen (dabei ist zu beachten, daß bei der in Fig. 1 gezeigten Darstellung die räumliche Lage des Schalldämpfers 1 nicht seiner Einbaulage
entspricht. Diese wird nach einer Drehung des in Fig. 1 gezeigten Ansaugschalldämpfers 1 um 90° im Uhrzeigersinn um die Längsachse des
Ansaugrohres 2 herum erhalten).