DE3837173A1 - Abgasschalldaempfer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Abgasschalldämpfer für Verbrennungskraftmaschinen gemäß dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1.

Beispielsweise aus der DE-OS 32 24 224 sind insbesondere als Absorptionsschalldämpfer ausgeführte Abgasschalldämpfer von Brennkraftmaschinen bekannt geworden, die aus einem oder mehreren schallabsorbierenden Teilen aus keramischen Materialien be­ stehen. Das keramische Material dieser Schalldämpferteile soll dabei porös und die schallabsorbierenden Teile selbsttragend sein.

In einer älteren Patentanmeldung ist darüberhinaus ein als Reflexions- oder Resonanzschalldämpfer ausgeführter Abgasschall­ dämpfer beschrieben, dessen Material aus einem mineralischen Baustoff bestehen soll und beidem die Gesamtporosität des Materials bei einer Porengröße von 0,5 bis 5 mm zwischen 50 und 95%, vorzugsweise zwischen 70 und 90%, liegen soll.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, einen Abgasschalldämpfer für Verbrennungskraftmaschinen zu schaffen, der gegenüber herkömmlichen Ausführungen bessere Dämpfungseigen­ schaften über einen möglichst großen Frequenzbereich bietet.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Durch die erfindungsgemäße Verwendung des bereits vorgeschlagenen, relativ großporigen Materials und durch Ausbildung neuer, dem Material angepaßter Ausgestaltungen lassen sich wesentliche Verbesserungen der Schalldämpfungs­ wirkung in größeren Frequenzbereichen erzielen. Dabei ist ein wesentlicher Gedanke der Erfindung darin zu sehen, daß das Abgas beim Durchströmen des Abgasschalldämpfers mindestens einmal, vorzugsweise aber mehrmals, das poröse Material durch­ dringen muß. Die für die Führung bzw. Reflexion der Gasströmung innerhalb des Schalldämpfers erforderlichen Wand- und Rohrstruk­ turen können dabei gemäß einer Weiterbildung der Erfindung dadurch erzielt werden, daß gasdichte Bereiche des porösen Materials, beispielsweise durch Aufbringen eines die Poren des Materials verschließenden Mittels aus einem hydraulisch oder chemischkeramisch abbindenden Schlicker oder Kleber, geschaffen werden. Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich gemäß den übrigen Unteransprüchen.

In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung in schematischer Darstellungsweise gezeigt, die im folgenden näher erläutert werden. Dabei zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungs­ form des erfindungsgemäßen Abgasschalldämpfers,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Schalldämpfer nach Fig. 1 gemäß den Schnittlinien II-II,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungs­ form des erfindungsgemäßen Abgasschalldämpfers,

Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine dritte Ausführungs­ variante des Abgasschalldämpfers und

Fig. 5 bis 7 in Einzeldarstellungen verschiedene, bei einem Abgasschalldämpfer verwendbare Bauelemente, die bei den zuvor gezeigten Abgasschalldämpfern nicht verwendet wurden.

In den Fig. 1 und 2 der Zeichnung ist ein Abgasschalldämpfer für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere von Personen­ kraftfahrzeugen, insgesamt mit 1 bezeichnet, der aus mehreren, in einem umgebenden Blechgehäuse 2 zwischen einem Abgaseinlaß­ stutzen 3 und einem Abgasauslaßstutzen 4 gehaltenen monolithi­ schen Körpern 5 bis 7 zusammengesetzt ist. Die monolithischen Körper 5 bis 7 bestehen dabei im wesentlichen aus einem offen­ porig porösen, schallabsorbierenden Material, dessen Gesamt­ porosität bei einer Porengröße zwischen 0,5 und 5 mm, vorzugs­ weise bei einer Porengröße größer als 1,5 mm, zwischen 50 und 95%, vorzugsweise zwischen 60 und 85% liegt. Dieser offene Makroporenanteil im Werkstoff sollte bei Brennkraftmaschinen geringerer Leistung größer als 60 Vol.% und bei Brennkraftma­ schinen höherer Leistung über etwa 70 Vol.% bei gleichzeitig entsprechend größeren Poren liegen. Als Material kann dabei ein keramischer Werkstoff, beispielsweise Al₂O₃ verwendet werden. Grundsätzlich läßt sich jedoch jeder sinterbare keramische oder mineralische Werkstoff einsetzen; selbst die Verwendung von metallischen Werkstoffen oder hitzebeständigen Kunststoff­ schäumen könnte ins Auge gefaßt werden. In letzteren Fällen könnte allerdings die Korrosionsbeständigkeit bzw. die Stand­ festigkeit bei höheren Temperaturen beeinträchtigt sein.

Bei dem in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Abgasschalldämpfer 1 einen einlaßseitigen Teilkörper 5, einen mittleren Teilkörper 6 sowie einen auslaßseitigen Teil­ körper 7 auf, die jeweils unter Verwendung eines hydraulisch oder chemisch-keramisch abbindenden Schlickers oder Klebers miteinander verbunden sind, wobei an den Klebestellen mit 18 a und 18 b bezeichnete und durch stark ausgezogene Linien ange­ deutete gasundurchdringliche Wände gebildet sind. Auch an der Außenkontur der Teilkörper 5 bis 7 sind solche gasdichten Wände durch Aufbringen eines die Poren verschließenden Mittels aus einem hydraulisch oder chemisch-keramisch abbindenden Schlicker oder Kleber auf das poröse Material gebildet. Dabei kann dieses Abdichten des Materials zumindest an den Außenwandbereichen der Körper auch bereits bei der Herstellung des porösen Materials erzeugt werden. Mit Vorzug kann nämlich die Herstellung des porösen Materials in der Weise erfolgen, daß zunächst eine zellförmige Struktur dadurch geschaffen wird, daß ein beispiels­ weise aus Esterschaum mit einer sehr hohen offenen Porosität bestehender Schaumkörper von entsprechender Grundform mit einem wäßrigen Schlicker aus einem mineralischen Stoff, wie zum Beispiel Al₂O₃, getränkt und anschließend gebrannt wird, wobei bei dem Brennvorgang zugleich auch der Schaumkörper mitverbrannt oder auf sonstige Weise ausgelöst wird. Anschließend könnte der so quasi als Gerüst entstandene Grundkörper nochmals getränkt werden, wobei dann auch die an der Außenkontur oder an sonstigen Stellen vorgesehenen gasdichten Wände durch entsprechende Ver­ dichtung in diesem Bereich erzeugt werden können.

Die Teilkörper 5 bis 7 weisen nun jeweils mehrere, im wesent­ lichen parallel zueinander verlaufende Ausnehmungen auf, die untereinander nicht direkt, sondern nur indirekt über aus dem porösen Material bestehende Wandpartien in Verbindung stehen. Die Folge ist, daß das Abgas beim Durchströmen des Abgasschall­ dämpfers 1 von dem Einlaßstutzen 3 zum Auslaßstutzen 4 ein- oder mehrmals durch das poröse Material hindurchtreten muß, wie dies in der Zeichnung anhand der eingetragenen Pfeile ange­ deutet ist, die den Verlauf der Gasströmung veranschaulichen sollen.

So weist der in der Fig. 1 gezeigte einlaßseitige Teilkörper 5 einen mit dem Einlaßstutzen 3 verbundenen, sich im wesent­ lichen axial erstreckenden Einlaßraum 8, sowie im wesentlichen parallel dazu einen Totraum 9 sowie einen zu dem mittleren Teilkörper 6 führenden Überströmraum 10 auf. Der mittlere Teil­ körper 6 besitzt neben einem Einströmraum 11 einen mittleren Raum 12 sowie einen Überströmraum 13, der ebenso wie der Ein­ strömraum 11 jeweils mit einem Einströmraum 14 bzw. 15 des auslaßseitigen Teilkörpers 7 in Verbindung steht. Dieser auslaß­ seitige Teilkörper 7 weist dann noch einen mit dem Auslaßstutzen 4 verbundenen Auslaßraum 16 auf, der aber mit den beiden Ein­ strömräumen 14 und 15 nicht direkt, sondern nur über das zwischen diesen angeordnete poröse Wandmaterial verbunden ist.

Aus den in der Fig. 1 eingetragenen, die Gasströmung andeutenden Pfeilen ist nun ersichtlich, daß das Abgas beim Durchströmen des Abgasschalldämpfers 1 auf seinem Weg vom Gaseinlaßstutzen 3 zum Gasauslaßstutzen 4 mehrfach das die monolithischen Teil­ körper 5 bis 7 bildende poröse Material durchdringen muß. Eine Führung der Gasströmung wird dabei durch rohrartige Strukturen vorgenommen, die vornehmlich als Übergang zwischen den einzel­ nen Teilkörpern vorgesehen sind. Diese Rohrstrukturen sind dabei in der Zeichnung mit 19 a, 19 b und 19 c bezeichnet und, ebenso wie die Zwischenwände 18 a und 18 b sowie die Außenwände 17 a bis 17 c, mit einer dickeren Strichstärke gekennzeichnet. Diese dickere Strichstärke soll dabei gasdichte Wände andeuten, durch die das Abgas nicht hindurchtreten kann. Solche gasdichten Wände sind auch in dem mittleren Raum 12 des mittleren Teil­ körpers 6 sowie in dem Auslaßraum 16 des auslaßseitigen Teil­ körpers 7 vorgesehen und dort mit 19 d bzw. 19 e und 19 f angegeben. Der Gasdurchtritt in und durch das poröse Wandmaterial der einzelnen Teilkörper kann dabei nur jeweils in den Bereichen erfolgen, wo keine solchen gasdichten Wandpartien vorhanden sind; beispielsweise kann das Gas aus dem Einströmraum 11 des mittleren Teilkörpers 6 nur in dem mittleren Bereich zwischen den gasdichten Wänden 19 a und 19 b zu dem mittleren Raum 12 und zu dem in der Zeichnung unteren Überströmraum 13 übertreten, ebenso wie das Gas aus den Einströmräumen 14 und 15 des auslaß­ seitigen Teilkörpers 7 nur aus deren hintersten Bereichen, in denen die gasdichten Wände 19 b und 19 c nicht mehr vorhanden sind, in den vorderen Bereich des Auslaßraums 16 übertreten kann.

Im übrigen kann durch entsprechende Gestaltung dieser gasdich­ ten Wände, beispielsweise durch eine mehr oder weniger versetzte Anordnung der jeweils parallel zueinander angeordneten, durch die gasdichten Wände gebildeten rohrartigen Strukturen, die in den einzelnen Bereichen übertretenden Gasmengen größenmäßig beeinflußt werden. Der Abstand der einzelnen Trennwände vonein­ ander sowie die Weglänge der unterschiedlichen Strömungswege des Abgases durch den Abgasschalldämpfer sollte nach den üblichen Kriterien und Auslegungsmaßstäben für Schalldämpfer bestimmt werden, so daß letztendlich eine wirkungsvolle Schalldämpfung in praktisch allen maßgeblichen Frequenzbereichen erzielbar ist.

Während dabei die tieferen Abgasschallfrequenzen durch den gezeigten geometrischen Aufbau des Schalldämpfers gedämpft werden, werden die höheren Frequenzanteile gezielt bei der Durchdringung und an der offenporigen Oberfläche des porösen Werkstoffes der den Schalldämpfer bildenden monolithischen Körper absorbiert.

In der Fig. 3 ist eine Ausführungsvariante des erfindungs­ gemäßen Abgasschalldämpfers dargestellt, bei dem der Weg des Abgases einen etwas anderen Verlauf als bei der Ausführung nach den Fig. 1 und 2 nimmt. Darüberhinaus bestehen auch die einzelnen, dort mit 25, 26 und 27 bezeichneten Teilkörper aus wesentlich massiveren, monolithischen Körpern, die unterein­ ander wiederum durch gasdichte Trennwände 28 a und 28 b und nach außen zu einem umgebenden Gehäuse 22 durch gasdichte Wände 36 a, 36 b, 36 c getrennt sind. Die Teilkörper 25 bis 27 weisen hier nur im Bereich ihrer Übergänge durch gasdichte Wände 29 a, 29 b, 29 c und 29 d gebildete rohrartige Führungskanäle 32 bis 35 auf, deren axiale Länge unterschiedlich bemessen ist. Nur in diesen Bereichen sowie im Bereich eines Einlaßraumes 31 weisen die keramischen Körper dazu Ausnehmungen auf, die zu dem umgebenden offenporig porösen Material hin durch diffusor­ artig ausgebildete Strukturen 30 a bis 30 i abgegrenzt sind. Diese diffusorartigen Strukturen 30 a bis 30 i sollen dabei eine gleichmäßige Verteilung bzw. Sammlung der Gasströmung in bzw. aus dem porösen Material ermöglichen. Die Hauptströmung des Abgases erfolgt dabei entsprechend den eingetragenen Pfeilen ausgehend von dem Einlaßstutzen 23 zunächst in den einlaßseitigen Teilkörper 25 und von diesem durch den Führungskanal 32 in den mittleren Teilkörper 26, von dem aus ein Teil der Abgase direkt in den zum Auslaßstutzen 24 führenden Führungskanal 35 und ein anderer Teil nach Durchtritt durch den Führungs­ kanal 33 zunächst in den auslaßseitigen Teilkörper 27 und dort nach Umkehrung und Durchströmung des Führungskanals 34 ebenfalls in den zum Auslaß führenden Führungskanal 35 gelenkt wird.

Bei diesem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 3 muß das Abgas also bei seinem Weg vom Einlaßstutzen 23 zum Auslaßstutzen 24 auf noch längeren Wegen das poröse Material der monolithi­ schen Teilkörper 25 bis 27 durchdringen, weshalb die Porosität dieses Materials gegenüber demjenigen der Ausführung nach der Fig. 1 möglicherweise größer zu wählen ist.

In der Fig. 4 ist schließlich ein insgesamt mit 40 bezeichneter Abgasschalldämpfer gezeigt, bei dem die einzelnen, hier mit 45, 46 und 47 bezeichneten Teilkörper bis auf einen Einlaß­ raum 50 und einen Auslaßraum 51 keine größeren Ausnehmungen aufweisen, bei denen also das Abgas grundsätzlich das offen­ porige Material der Teilkörper durchdringen muß, wobei die zwischen den einzelnen Teilkörpern vorgesehenen Trennwände 49 a bis 49 f in Zusammenwirken mit den zwischen den Trennwänden verbleibenden offenen Bereichen eine Führung der Gasströmung bewirken. Der mit dem Einlaßstutzen 43 verbundene Einlaßraum 50 und der mit dem Auslaßstutzen 44 verbundene Auslaßraum 51 weist wiederum eine diffusorartige Struktur 52 a bzw. 52 b als Abgrenzung gegenüber dem anschließenden porösen Material auf, das, wie oben schon erwähnt, eine günstige Verteilung bzw. Sammlung der Gasströmung bewirken soll. Die einzelnen Teil­ körper 45 bis 47 besitzen auch wieder an ihren Außenumfangs­ flächen gasdichte Wände 48 a bis 48 c und sind in einem umgebenden Gehäuse 42 gehalten. Diese Halterung kann - wie im übrigen auch bei den zuvor beschriebenen Schalldämpferausführungen - in ähnlicher Weise ausgeführt sein, wie dies bei Katalysator­ halterungen üblich ist, nämlich mit Hilfe einer die monolithi­ schen Körper umgebenden, federnd elastischen Zwischenlage, die zum Beispiel aus einem unter Vorspannung stehenden kerami­ schen Fasermaterial bestehen kann. Bei dem in der Fig. 4 ge­ zeigten Ausführungsbeispiel ist noch angedeutet, daß die Porosi­ tät der einzelnen Teilkörper auch unterschiedlich groß bemessen sein kann.

In den Fig. 5 bis 7 sind schließlich noch weitere Einzel-Bau­ elemente beispielhaft angedeutet, die beim Aufbau eines Schall­ dämpfers herangezogen werden können. So zeigt die Fig. 5 ein Bauelement in Form einer Düse, bei dem in einem monolithischen Körper 53 eine erste rohrartige Ausnehmung 54 über ein konisch sich verengendes Zwischenstück 56 mit einer zweiten rohrartigen Ausnehmung 57 verbunden ist. Dabei weist hier die erste rohr­ artige Ausnehmung 54 eine gasdichte Wand 55 auf, so daß aus diesem Bereich ein Übertritt von Gas in das umgebende poröse Material des monolithischen Körpers 53 nicht möglich ist. Ein solcher Gasaustritt ist dagegen im Bereich des konischen Über­ gangsstücks 56 sowie der zweiten rohrartigen Ausnehmung 57 möglich, da diese keine solchen gasdichten Wände aufweisen. Es ist jedoch ohne weiteres möglich, durch Anbringung bzw. Weglassen von gasdichten Wandpartien in diesen Bereichen den Gasübertritt in das umgebende Wandmaterial zu steuern.

In den Fig. 6 und 7 sind jeweils Rohrbögen dargestellt mit unterschiedlicher Durchlässigkeit des umgebenden Wandmaterials. Bei der Ausführung nach der Fig. 6 ist beispielsweise eine rohrartige Ausnehmung 61 mit einer rohrartigen Ausnehmung 62 über eine rohrbogenartige Ausnehmung 63 verbunden, wobei jeweils ein Teil der radial inneren Wandpartien des Rohrbogens und der angrenzenden rohrartigen Ausnehmungen 61 und 62 mit einer zusammenhängenden gasdichten Wand 64 versehen sind. Ein Austritt von Abgas in die umgebenden Wandpartien ist daher nur außerhalb dieser gasdichten Wand 64 möglich. Bei der Ausführung nach der Fig. 7 ist wiederum eine erste rohrartige Ausnehmung 66 mit einer zweiten rohrartigen Ausnehmung 67 über eine rohrbogen­ artige Ausnehmung 68 verbunden, wobei hier an den radial außen liegenden Bereichen der rohrbogenartigen Ausnehmung 68 eine gasdichte Wand 70 angebracht ist. Zusätzlich weist der monolithi­ sche Körper 65 noch eine mittlere gasdichte Wand 69 auf, die auch einen Übertritt von Gas aus der ersten rohrförmigen Aus­ nehmung 66 in die zweite rohrförmige Ausnehmung 67 durch die Wand hindurch verhindert.

Die in der Zeichnung gezeigten Ausführungen von Schalldämpfern und deren Einzelelementen sollen dabei nur mögliche Varianten andeuten, die die Erfindung jedoch nicht einschränken. Es sind vielmehr unter Beibehaltung der erfindungsgemäßen Grundidee eine Vielzahl von Abwandungen möglich, wobei insbesondere durch Veränderung der Größe und Lage der die Führungskanäle und Re­ flexionsstellen bildenden gasdichten Wände Einfluß auf die durch den Abgasschalldämpfer tretende Gasströmung und deren Verlauf und dadurch auf den Schalldämpfungseffekt selbst genom­ men werden kann. Vor allem ist es möglich, die bei den in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Schalldämpfern verwendeten Bauele­ mente in gleicher oder abgewandelter Form und in beliebiger Kombination miteinander sowie gegebenenfalls in Kombination mit den in den Fig. 5 und 7 gezeigten Einzelelementen zusam­ menzusetzen, wobei sich dann eine unbegrenzte Anzahl von mög­ lichen Schalldämpfervarianten ergibt.

Insgesamt gesehen haben sich erfindungsgemäß ausgebildete Schall­ dämpfer als außerordentlich wirksam erwiesen, und zwar nicht nur im hochfrequenten Bereich, sondern in praktisch allen Be­ triebszuständen und Frequenzbereichen, so daß sie speziell für den Einsatz in Kraftfahrzeugen geeignet erscheinen.

Claims (10)

1. Abgasschalldämpfer für Verbrennungskraftmaschinen mit wenigstens einem zwischen einem Gaseinlaß und einem Gasauslaß gehaltenen monolithischen Körper aus einem schallabsorbierenden, offen­ porig porösen Material, dessen Gesamtporosität bei einer Porengröße von 0,5 bis 5 mm zwischen 50 und 95%, vorzugs­ weise zwischen 70 und 90%, liegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper derart ausgebildet ist, daß das Abgas beim Durchströmen des Schalldämpfers vom Gaseinlaß zum Gasauslaß mindestens einmal das poröse Material durchdringen muß.

2. Abgasschalldämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper durch gasdichte Bereiche gebildete Wände zur Führung und Reflexion der Gasströmung aufweist.

3. Abgasschalldämpfer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Körper Ausnehmungen mit partiell an ihren Ober­ flächen angebrachten gasdichten Bereichen aufweist.

4. Abgasschalldämpfer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper wenigstens zwei, im wesentlichen parallel zueinander verlaufende und nicht direkt miteinander verbundene Ausnehmungen aufweist.

5. Abgasschalldämpfer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gasdichten Bereiche der Ausnehmungen gegeneinander versetzt angeordnet sind.

6. Abgasschalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasdurchtritt durch das poröse Material des monolithischen Körpers durch Festlegung der Größe und Lage der gasdichten Bereiche steuerbar ist.

7. Abgasschalldämpfer nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Endbereiche der Ausnehmungen diffusor­ artig ausgebildet sind.

8. Abgasschalldämpfer nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die gasdichten Bereiche durch Aufbringen eines die Poren verschließenden Mittels auf das poröse Material gebildet sind.

9. Abgasschalldämpfer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel durch einen hydraulisch oder chemisch-keramisch abbindenden Schlicker oder Kleber gebildet ist.

10. Abgasschalldämpfer nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die gasdichten Bereiche durch Verdichten des porösen Materials bei dessen Herstellung gebildet sind.