DE3711029C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Schalldämpfer für das Abgasrohr einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein solcher Schalldämpfer ist aus der DE-PS 7 43 710 bekannt.

In dieser Druckschrift ist ein Schalldämpfer zur Verwen­ dung in der Abgasleitung einer Einzylinder-Brennkraftma­ schine großen Hubvolumens beschrieben, der als akusti­ sches Abzweigfilter aus zwei Resonatoren aufgebaut ist. Der spezielle Aufbau dieses Schalldämpfers berücksich­ tigt die Tatsache, daß bei Brennkraftmaschinen der vor­ genannten Art die Wechselgeschwindigkeitsamplitude eines Gasteilchens im Abgasleitungsystem wesentlich größer ist, als die Schallgeschwindigkeit. Mit den getroffenen Maßnahmen wird erreicht, daß an das Abgasrohr ange­ schlossene seitliche Resonatoren zum Mitschwingen ge­ zwungen 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 Abgasleitungssystems einer Brennkraftmaschine,

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 mit der Erfindung ausgerüsteten Abgasleitungs­ system und einem übli­ chen Abgasleitungssystem, ausgedrückt als Geräuschpegel in Ab­ hängigkeit von der Maschinendrehzahl, zeigt und

Fig. 5 eine graphische Darstellung eines Ver­ gleichs der Geräuschdämpfungswirkung zwischen dem Abgasleitungs­ system mit einem Schalldämpfer nach der Erfindung und einem konventionellen Ab­ gasleitungssystem, 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 die Anwendung und eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bei einer hier nicht dargestellten Brennkraftmaschine. Es han­ delt sich dabei um die Brennkraftmaschine eines Kraft­ fahrzeugs. Das dargestellte Abgasleitungssystem nach Fig. 1 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 über die Zweigleitung 1 durch den Vorschalldämp­ fer 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 Vorder­ 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 des Endabschnitts 12 b des Zuleitrohres 12 und in der Kammer C gelegen sind. Selbstverständlich ist die Stirnseite 12 A am äußersten freien Ende 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 Mittel­ 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 des vorderen Endabschnitts 13 a des Auslaßrohres 13 innerhalb der Kammer C ausgebildet sind. Die Stirnseite 13 A am äußersten freien Ende des vorderen Endab­ schnitts 13 a ist zur Kammer C hin offen. Es sei ange­ merkt, daß der vordere Endabschnitt 13 a des Auslaßrohres 13 einen Innendurchmesser hat, der größer ist als der Innen­ durchmesser des hinteren Endabschnitts 12 b des Einlaßroh­ res 12. Diese beiden Rohre 12 und 13 sind koaxial zueinander angeord­ net. Außerdem hat die Stirnseite 12 A des hinte­ ren Endabschnittes 12 b des Einlaßrohres 12 einen vorbestimm­ ten Abstand zur Stirnseite 13 A des vorderen Endabschnitts 13 a des Auslaßrohres 13, der in Fig. 3 mit S bezeichnet ist.

Wenn bei dem mit diesem Schalldämpfer 3 aufgebauten Abgasleitungssystem Abgas von der Ma­ schine über die Zweigleitung 1 und das Vorderrohr 2 dem Einlaßrohr 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 die offene Stirnseite 13 A des vorderen Endabschnitts 13 a des Auslaßrohres 13 der offenen Stirnseite 12 A des hinteren Endab­ schnitts 12 b des Einlaßrohres 12 koaxial gegenübersteht, wo­ bei seine Öffnung größer als die des hinteren Endab­ schnitts 12 b des Einlaßrohres 12 ist. Es kann sich daher keine Steigerung eines Abgasgegendrucks im Abgasleitungssystem ergeben, der die Maschinenausgangsleistung herabsetzen könnte.

Die Abgasdruckwelle, die von jedem Maschinenzylinder im entsprechenden Abgaskanal erzeugt und über die Zweiglei­ tung 1 und das Vorderrohr 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 Abgasleitungssystems über das Mittelrohr 4, den Haupt­ schalldämpfer 5 und das Endrohr 6 aus, wobei ein Teil der Druckwelle zur stromaufwärtigen Seite des Abgasleitungssystems aufgrund Reflexion am Einlaß des Hauptschalldämpfers 5 und am offenen Ende des Endrohres 6 zurückkehrt. Diese reflektierte Welle scheint sich vom offenen Ende des vorderen Endabschnitts 13 a des Auslaßrohrs 13 über den Zwi­ schenraum S in das offene Ende am hinteren Endab­ schnitt 12 b des Einlaßrohres fortzupflanzen. Dabei findet jedoch keine Verflachung oder Einschnürung der reflektier­ ten Welle statt, weil die Ausbreitung der Welle vom Rohr 13 größeren Durchmessers zum Rohr 12 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 Abgasleitungssystem 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 Abgasleitungssystem mit einem Vorschalldämpfer nach der vorliegenden Erfindung und einem konventionellen Abgasleitungs­ 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 Vorderrohr 2 und das Mittelrohr 4 geschaltet ist, das exzentrisch im Gehäuse des Vorschalldämpfers parallel zur Achse desselben angeordnet ist, so daß das von der Maschine abgegebene Abgas durch die Perforation in die Kammer des Vorschalldämpfers eintritt. Der Geräuschpegel (dB) des Abgasleitungssystems mit dem Vorschalldämpfer nach der vorliegenden Erfindung und des konventionellen Abgasleitungssystems wurden bei unterschied­ lichen Maschinendrehzahlen bei Vollast der Maschine, an die das Abgasleitungssystem angeschlossen war, gemessen. In Fig. 4 gibt die Kurve a den gemessenen Geräuschpegel für das Abgasleitungssystem mit dem Vorschalldämpfer nach der vorliegenden Erfindung an, während die Kurve b den gemessenen Geräuschpegel des bekannten Abgasleitungssystems zeigt. Die graphische Darstel­ lung nach Fig. 4 zeigt, daß bei dem Abgasleitungssystem mit dem Vorschalldämpfer nach der vorliegenden Erfindung der Geräuschpegel über den gesamten Drehzahlbereich der Maschine abgesenkt werden kann.

Fig. 5 zeigt einen weiteren Vergleich im Geräuschdämp­ fungseffekt zwischen dem Abgasleitungssystem mit dem Vorschalldämpfer 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 zeit die Kurve a′ den Geräuschpegel des Abgasleitungssystems mit dem Vor­ schalldämpfer nach der vorliegenden Erfindung, während die Kurve b′ den Geräuschpegel des konventionellen Abgassystems zeigt. Aus Fig. 5 geht hervor, daß mit Hilfe der vorliegenden Erfindung der Geräuschpegel speziell im hochfrequenten Bereich beachtlich abgesenkt werden kann.

Claims (6)

1. Schalldämpfer für das Abgasrohr einer Brennkraftmaschine, enthaltend:

• Gehäuse, das darin eine Kammer ausbildet, die mit dem Abgasrohr in Verbindung steht,
• ein erstes Rohr, das sich in die Kammer erstreckt, mit dem Abgasrohr stromaufwärts der Kammer verbunden ist und mit Löchern versehen ist, die innerhalb der Kammer gelegen sind, und das am äußersten Ende eine offene Stirnseite in der Kammer aufweist, und
• ein zweites Rohr, das sich in die Kammer erstreckt, mit dem Abgasrohr stromabwärts der Kammer zumindest indirekt verbunden ist und mit Löchern versehen ist, die innerhalb der Kammer gelegen sind, und daß am äußersten Ende eine offene Stirnseite in der Kammer aufweist,

wobei die Stirnseite des zweiten Rohres der Stirnseite des ersten Rohres mit Abstand gegenübersteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche der Öffnung der Stirnseite (13 A) des zweiten Rohres (13) größer als die der Stirnseite (12 A) des ersten Rohres (12) ist.

2. Schalldämpfer 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 äußeren Ende versehen ist und das zweite Rohr (13) einen vorderen Endabschnitt (13 a) aufweist, der zylindrisch und gerade ist und mit den Löchern (14 b) nahe seinem äußeren Ende versehen ist, und daß die beiden Endabschnitte (12 b, 13 a) koaxial zueinander angeordnet sind.

3. Schalldämpfer 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. Schalldämpfer 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. Schalldämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Vorschalldämpfer (3) in einem Abgasleitungssystem ist, in welchem hinter dem Vorschalldämpfer (3) ein Hauptschalldämpfer (5) angeordnet ist, von dem das Abgas über ein Endrohr (6) an die Umgebungs­ atmosphäre abgegeben wird.