DE3711029A1 - Abgassystem einer brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Abgas­ system einer Brennkraftmaschine und speziell auf eine Verbesserung im Aufbau eines Vorschalldämpfers zur Däm­ pfung hochfrequenter Störgeräusche, die von der Abgaslei­ tung einer Brennkraftmaschine in die Umgebung abgegeben werden.

Im Zusammenhang mit Kraftfahrzeugbrennkraftmaschinen stellt sich das Problem, daß an der Auslaßöffnung eines Abgasrohres metallisch klingende Störgeräusche mit hoch­ frequenten Komponenten abgegeben werden, beispielsweise während heftiger Beschleunigung oder während des Abbrem­ sens bei hoher Maschinendrehzahl. Man hat früher angenom­ men, daß das metallische Abgasgeräusch durch eine Ver­ brennung von Gasen innerhalb der Abgasleitung erzeugt würde. Als Ergebnis von Untersuchungen bei Abgasgeräusch­ messungen, die beim Betrieb mit völlig geschlossener Drosselklappe der Brennkraftmaschine ausgeführt wurden, ist jedoch kürzlich erkannt worden, daß diese Geräusche keine Beziehung zur Gasverbrennung im Abgassystem haben. Die Untersuchungen haben gezeigt, daß das metallische Ab­ gasgeräusch durch die Tatsache hervorgerufen wird, daß in der Abgasleitung erzeugte stehende Wellen in der Abgas­ leitung verstärkt und in eine Impulswelle während der Ausbreitung der Welle im Vorschalldämpfer der Abgaslei­ tung hervorgerufen wird.

Ein übliches Abgassystem einer Brennkraftmaschine besteht gewöhnlich aus einem Vorschalldämpfer und einem Haupt­ oder Endschalldämpfer, wobei das von der Brennkraftma­ schine abgegebene Abgas zunächst in den Vorschalldämpfer gelangt und von diesem an den Endschalldämpfer abgegeben wird, um von diesem über ein Endrohr an die Umgebungsat­ mosphäre abgegeben zu werden. Das Pulsieren der Abgas­ strömung aufgrund des von jedem Zylinder der Brennkraft­ maschine abgegebenen Abgasstromes erzeugt im Abgasrohr eine Druckwelle. Die Druckwelle wird am Einlaß des Vor­ schalldämpfers und am offenen Ende des Endrohres reflek­ tiert, so daß die reflektierte Welle, die vom Auslaß eines Zylinders hervorgerufen wird, mit der vom Auslaß eines anderen Zylinders, dessen Auslaßtakt zeitlich dem erstgenannten Zylinder nachfolgt, interferiert, wobei die Druckwellen miteinander in Resonanz gelangen und dadurch die stehende Welle erzeugen, die bei einer solchen Ma­ schinendrehzahl eine große Amplitude hat, bei der sie einander gleichphasig sind.

Im allgemeinen ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallwellen mit kleinerer Schwankungsamplitude konstant und entspricht der Schallgeschwindigkeit. Im Falle, daß die Amplitude der Schallwelle anwächst, wie beispielswei­ se bei der obenerwähnten stehenden Welle, wird die Welle jedoch durch Reibung und durch Wärmeübertragung des strö­ menden Gases beeinflußt, und die Ausbreitungsgeschwindig­ keit der Welle wird daher inkonstant. Spezieller gesagt, es ist bekannt, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle, die eine stark schwankende Amplitude hat, höher als die Schallgeschwindigkeit in einem Bereich höherer Wellendichte ist und geringer als die Schallgeschwindig­ keit in einem Bereich niedriger Wellendichte ist, so daß eine Tendenz besteht, daß sich die Schallwelle aus dem Bereich höherer Dichte der Schallwelle aus dem Bereich niedrigerer Dichte annähert. Die Dichte der Schallwellen im Abgasrohr wird daher ungleichförmig, wodurch sich die stehende Welle in eine Impulswelle umwandelt. Diese Im­ pulswelle breitet sich zur stromabwärtigen Seite des Ab­ gasrohres aus und wird vom offenen Ende des Endrohres in die Umgebungsatmosphäre abgegeben, wodurch das metalli­ sche Abgasgeräusch, das eine hohe Frequenzkomponente be­ inhaltet, in die Umgebung abgegeben wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Abgassystem für eine Brennkraftmaschine anzugeben, das die Abgabe hochfrequenter Geräuschkomponenten an die Umgebung wirk­ sam dämpft.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Dementsprechend wird die in den Schalldämpfer gelangende Abgasdruckwelle durch die Löcher des Einlaßrohrs in die Hauptkammer des Schalldämpfers abgestrahlt, wodurch eine Schalldämpfung über sämtliche Betriebsdrehzahlbereiche der Brennkraftmaschine erzielt wird. Die am Einlaß des anderen Schalldämpfers und am Ende des Endrohres reflek­ tierte Druckwelle gelangt vom Auslaßrohr größerer Quer­ schnittsfläche zum Einlaßrohr kleinerer Querschnitts­ fläche, so daß der Durchgang der reflektierten Druck­ welle im Schalldämpfer eingeschnürt wird. Hierdurch wird die Ausbildung stehender Wellen im Abgassystem wirkungs­ voll unterdrückt, so daß auch die Erzeugung von Impuls­ wellen verhindert wird, die die metallischen Abgasge­ räusche hervorrufen. Außerdem schränkt der Schalldämpfer den Durchlaß von Abgasen von der Maschine in die Umgebung nicht ein und verhindert daher eine Verminderung der Aus­ gangsleistung der Maschine.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Aus­ führungsform eines Abgassystems nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines Vorschalldämpfers im Abgassystem nach Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt durch den Vorschalldämpfer nach Fig. 2;

Fig. 4 eine graphische Darstellung, die einen Vergleich der Geräuschdämpfungswirkung bei einem Abgas­ system nach der vorliegenden Erfindung und einem übli­ chen Abgassystem, ausgedrückt als Geräuschpegel in Ab­ hängigkeit von der Maschinendrehzahl, zeigt und

Fig. 5 eine graphische Darstellung eines Ver­ gleichs der Geräuschdämpfungswirkung zwischen dem Abgas­ system nach der Erfindung und einem konventionellen Ab­ gassystem, ausgedrückt als Geräuschpegel über der Fre­ quenz mit 1 KHz als Mittenfrequenz und einer Bandbreite von 4 Oktaven zu beiden Seiten dieser Frequenz.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform eines Abgassystems nach der vorliegenden Erfindung für eine hier nicht dargestellte Brennkraftmaschine. Es han­ delt sich dabei um die Brennkraftmaschine eines Kraft­ fahrzeugs. Das Abgassystem besteht aus einer Abgas-Verzweigungsleitung 1, die mit der Maschine zu ver­ binden ist und über ein Vorderrohr 2 mit einem Vorschall­ dämpfer 3 verbunden ist, der seinerseits über ein Mittel­ rohr 4 mit einem Haupt- oder Endschalldämpfer 5 verbunden ist, an den seinerseits ein Endrohr 6 angeschlossen ist. Das Vorderrohr 2, das Mittelrohr 4 und das Endrohr 6 bilden ein Abgasrohr, durch das Abgas von der Maschine in die Umgebungsatmosphäre abgegeben wird, wobei das von der Zweigleitung 1 zugeführte Abgas durch den Vorschalldäm­ pfer 3 und dann durch den Hauptschalldämpfer 5 geleitet wird, um schließlich in die Umgebungsluft abgegeben zu werden.

Wie in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist, enthält der Vor­ schalldämpfer 3 ein Gehäuse 10 mit ovalem Querschnitt, das eine Kammer C umschließt, in die das Abgas von der Maschine eingeleitet wird. Das Gehäuse 10 besteht aus einer Außenwand 10 a und vorderen und hinteren Seitenwän­ den 10 b bzw. 10 c. Ein zylindrisches Abgaszuleitrohr 12 hat einen vorderen Endabschnitt 12 a, der mit dem Front­ rohr 2 verbunden ist und einen hinteren Endabschnitt 12 b, der mit dem Gehäuse 10 so verbunden ist, daß es sich in die Kammer C , die vordere Seitenwand 10 b durchstoßend, erstreckt. Der hintere Endabschnitt 12 b erstreckt sich gerade längs der Achse des Gehäuses 10 und ist mit mehre­ ren Löchern 14 a versehen, die nahe dem äußersten freien Ende 12 A des Endabschnitts 12 b des Einlaßrohres und in der Kammer C gelegen sind. Selbstverständlich ist das äußerste freie Ende 12 A des hinteren Endabschnitts 12 b zur Kammer C offen.

Ein zylindrisches Auslaß-Abgasrohr 13 hat einen vorderen Endabschnitt 13 a, der mit dem Gehäuse 10 verbunden ist und einen hinteren Endabschnitt 13 b, der mit dem Mitten­ rohr 4 verbunden ist. Der vordere Endabschnitt 13 a ist in die Kammer C hineingeführt, die hintere Seitenwand 10 c des Gehäuses 10 durchstoßend. Der vordere Endabschnitt 13 a erstreckt sich gerade längs der Achse des Gehäuses 10 und ist mit mehreren Löchern 14 b versehen, die nahe dem äußersten freien Ende 13 a des vorderen Endabschnitts 13 a des Auslaßrohres innerhalb der Kammer C ausgebildet sind. Das äußerste freie Ende 13 A des vorderen Endab­ schnitts 13 a ist zur Kammer C hin offen. Es sei ange­ merkt, daß der vordere Endabschnitt 13 a des Auslaßrohres einen Innendurchmesser hat, der größer ist als der Innen­ durchmesser des hinteren Endabschnitts 12 b des Einlaßroh­ res. Diese beiden Rohre sind koaxial zueinander angeord­ net. Außerdem hat das äußerste freie Ende 12 A des hinte­ ren Endabschnitts 12 b des Einlaßrohres einen vorbestimm­ ten Abstand zum äußersten freien Ende 13 a des vorderen Endabschnitts 13 a des Auslaßrohres, der in Fig. 3 mit S bezeichnet ist. Dementsprechend stehen die äußersten freien Enden 12 A und 13 A der Endabschnitte 12 b und 13 a einander mit dem Abstand S gegenüber.

Wenn bei dem so aufgebauten Abgassystem Abgas von der Ma­ schine über die Zweigleitung 1 und das Frontrohr 2 dem Abgaseinlaßrohr 12 dem Vorschalldämpfer 3 zugeführt wird, dann tritt das Abgas durch den hinteren Endabschnitt 12 b in die Kammer C ein. Das von dem Einlaßrohr 12 abgegebene Abgas strömt sanft in das Auslaßrohr 13, ohne die Abgas­ strömung zu stören, weil das äußerste freie offene Ende 13 A des vorderen Endabschnitts 13 a des Auslaßrohres dem äußersten freien offenen Ende 12 A des hinteren Endab­ schnitts 12 b des Einlaßrohres koaxial gegenübersteht, wo­ bei seine Öffnung größer als die des hinteren Endab­ schnitts 12 b des Einlaßrohres ist. Es kann sich daher keine Steigerung eines Abgasgegendrucks im Abgassystem ergeben, der die Maschinenausgangsleistung herabsetzen könnte.

Die Abgasdruckwelle, die von jedem Maschinenzylinder im entsprechenden Abgaskanal erzeugt und über die Zweiglei­ tung 1 und das Frontrohr 2 zum Vorschalldämpfer 3 ge­ langt, wird durch die Löcher 14 a in die Kammer C abge­ strahlt. Während der Ausbreitung der Druckwelle vom Ein­ laßrohr 12 zum Auslaßrohr 13 findet außerdem eine Gasent­ spannung statt, die auf diese Weise einen bemerkenswerten Geräuschdämpfeffekt hervorruft.

Die Druckwelle breitet sich weiterhin zur stromabwärtigen Seite des Abgassystems über das Mittenrohr 4 , den Haupt­ schalldämpfer 5 und das Endrohr 6 aus, wobei ein Teil der Druckwelle zur stromaufwärtigen Seite des Abgassystems aufgrund Reflexion am Einlaß des Hauptschalldämpfers 5 und am offenen Ende des Endrohres 6 zurückkehrt. Diese reflektierte Welle scheint sich vom offenen Ende 13 A des vorderen Endabschnitts 13 a des Auslaßrohrs über den Zwi­ schenraum S in das offene Ende 12 A am hinteren Endab­ schnitt 12 b des Einlaßrohres fortzupflanzen. Dabei findet jedoch eine Verflachung oder Einschnürung der reflektier­ ten Welle statt, weil die Ausbreitung der Welle vom Rohr größeren Durchmessers zum Rohr kleineren Durchmessers er­ folgt, wodurch Wellenkomponenten höherer harmonischer Wellen gedämpft werden. Die reflektierte Welle wird daher ausreichend gedämpft und daher kann die Amplitude der Druckwelle im Abgassystem auf einen niedrigeren Pegel selbst dann gedrückt werden, wenn die reflektierte Abgas­ welle aus einem Maschinenzylinder phasengleich mit der Abgasdruckwelle aus einem anderen Maschinenzylinder ist, so daß die Erzeugung von Impulswellen wirksam verhindert ist.

Fig. 4 zeigt einen Vergleich in der Geräuschdämpfungswir­ kung beim Abgassystem nach der vorliegenden Erfindung nach den Fig. 1 bis 3 und einem konventionellen Abgas­ system, das äußerlich ähnlich aufgebaut ist, jedoch einen Vorschalldämpfer üblicher Bauart aufweist, wie beispiels­ weise in der JP-Gebrauchsmuster-Veröffentlichung 58-25 607 beschrieben. Der Vorschalldämpfer nach jener Veröffentlichung ist derart aufgebaut, daß ein perfo­ riertes Rohr zwischen das Frontrohr 2 und das Mittenrohr 4 geschaltet ist, das exzentrisch im Gehäuse des Vorschalldämpfers parallel zur Achse desselben angeordnet ist, daß das von der Maschine abgegebene Abgas durch die Perforation in die Kammer des Vorschalldämpfers eintritt. Der Geräuschpegel (dB) des Abgassystems nach der vorliegenden Erfindung und des konventionellen Abgassystems wurden bei unterschied­ lichen Maschinendrehzahlen bei Vollast der Maschine, an die das Abgassystem angeschlossen war, gemessen. In Fig. 4 gibt die Kurve a den gemessenen Geräuschpegel für das Abgassystem nach der vorliegenden Erfindung an, während die Kurve b den gemessenen Geräuschpegel des bekannten Abgassystems zeigt. Die graphische Darstel­ lung nach Fig. 4 zeigt , daß bei dem Abgassystem nach der vorliegenden Erfindung der Geräuschpegel über den gesamten Drehzahlbereich der Maschine abgesenkt werden kann.

Fig. 5 zeigt einen weiteren Vergleich im Geräuschdäm­ pfungseffekt zwischen dem Abgassystem nach der vor­ liegenden Erfindung und dem gleichen bekannten Abgas­ system, das beim erstgenannten Vergleich verwendet wurde. Der Geräuschpegel (dB) in der graphischen Darstellung nach Fig. 5 wurde bei verschiedenen Frequenzen bei einer Maschinendrehzahl von 3000 U/min gemessen. In Fig. 5 zeigt die Kurve a′ den Geräuschpegel des Abgassystems nach der vorliegenden Erfindung, während die Kurve b′ den Geräuschpegel des konventionellen Abgassystems zeigt. Aus Fig. 5 geht hervor, daß bei dem Abgassystem nach der vorliegenden Erfindung der Geräuschpegel speziell im hochfrequenten Bereich beachtlich abgesenkt werden kann.

Claims (6)

1. Abgassystem einer Brennkraftmaschine, enthaltend:
ein Abgasrohr (2, 4, 6), durch das Abgas von der Maschine strömt; und
einen ersten Schalldämpfer (3), der in dem Abgasrohr angeordnet ist, mit folgenden Merkmalen:
ein Gehäuse (10), das darin eine Kammer (C) ausbildet,
ein erstes Rohr (12), das sich in die Kammer (C) erstreckt und mit dem Abgasrohr (2) stromaufwärts der Kammer (C) verbunden ist, wobei das erste Rohr (12)
mit Löchern (14 a) versehen ist, die innerhalb der Kammer (C) gelegen sind und ein äußerstes Ende (12 A) aufweist, das sich in die Kammer (C) öffnet, und
ein zweites Rohr (13), das sich in die Kammer (C) er­ streckt und mit dem Abgasrohr (4) stromabwärts der Kammer (C) verbunden ist, wobei das zweite Rohr (13) mit Löchern (13 a) versehen ist, die innerhalb der Kammer (C) liegen, und ein äußerstes Ende (13 A) hat, das sich in die Kammer (C) öffnet, wobei das äußerste Ende (13 A) des zweiten Rohrs (13) dem äußersten Ende (12 A) des ersten Rohres (12) mit einem vorbestimmten Abstand (S) gegen­ übersteht und die Querschnittsfläche der Öffnung des äußersten Endes (13 a) des zweiten Rohres (13) größer als die des äußersten Endes (12 a) des ersten Rohres (12) ist.

2. Abgassystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Rohr (12) einen hinteren Endabschnitt (12 b) aufweist, der zylindrisch und gerade ist und mit den Löchern (14 a) nahe seinem äußersten Ende versehen ist und das zweite Rohr (13) einen vorderen Endabschnitt (13 a) aufweist, der zylindrisch und gerade ist und mit den Löchern (13 a) nahe seinem äußersten Ende versehen ist, wobei das äußerste Ende des zweiten Rohres (13) von dem äußersten Ende des ersten Rohres (12) einen Abstand aufweist und die beiden Endabschnitte koaxial zueinander angeordnet sind.

3. Abgassystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Endabschnitt (12 b) des ersten Rohres (12) und der Endabschnitt (13 a) des zweiten Rohrs (13) längs der Achse des Gehäuses (10) angeordnet sind.

4. Abgassystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (10) vordere und hintere Seitenwände (10 b, 10 c) aufweist, sich der hintere Endabschnitt (12 b) des ersten Rohrs (12) durch die vordere Seitenwand (10 b) in die Kammer (C) und der vordere Endabschnitt (13 a) des zweiten Rohrs (13) durch die hintere Seitenwand (10 c) in die Kammer (C) erstrecken.

5. Abgassystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Schalldämpfer (5) im Abgasrohr (2, 4, 6) stromabwärts vom ersten Schalldämpfer (3) angeordnet ist und der zweite Schalldämpfer (5) als Hauptschalldämpfer und der erste Schalldämpfer (3) als Vorschalldämpfer wirken.

6. Abgassystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgasrohr ein Endrohr (6) enthält, das direkt mit dem Hauptschalldämpfer (5) verbunden und so angeordnet ist, daß Abgas vom Hauptschalldämpfer (5) von ihm in die Umgebungsatmosphäre abgegeben wird.