DE4439704A1 - Pressure pulsation reduction device for ic engine exhaust pipe - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Reduzierung der Druckpulsationen in gasführenden Rohren, insbesondere in Abgasanlagen von Verbrennungsmotoren, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to devices for reducing the Pressure pulsations in gas pipes, especially in Exhaust systems of internal combustion engines, according to the generic term of claim 1.
Es ist seit langem bekannt, daß Pulsationen in gasführenden Rohren dadurch beseitigt werden können, daß mit Hilfe von rotierenden oder oszillierenden Blenden amplituden-, frequenz- und phasenrichtige Gegendruckpulse erzeugt werden.It has long been known that pulsations in gas-carrying Pipes can be eliminated by using rotating or oscillating diaphragms amplitude, back pressure pulses with the correct frequency and phase are generated.
Es sei beispielsweise verwiesen auf die GB-PS 778 033, die PCT-Anmeldung WO 91/09214, die FR-A-26 13 089 u. a. Insbesondere die in der FR-A-26 13 089 oder der WO 91/09214 beschriebene Konstruktion, bei der eine Kreisscheibe in einem Rohr mit Kreisquerschnitt oszilliert, hat in der jüngsten Zeit starkes Interesse gefunden.For example, reference is made to GB-PS 778 033, which PCT application WO 91/09214, FR-A-26 13 089 u. a. In particular those in FR-A-26 13 089 or WO 91/09214 described construction, in which a circular disc in a tube with a circular cross section, has in the of great interest recently.
Sowohl die GB 778 033 als auch die WO 91/09214 zeigen eine weitere Realisierung dieses Schalldämpfungsprinzips. Hierzu ist im gasführenden Rohr eine geschlitzte Blende montiert, vor der eine in gleicher Weise geschlitzte Blende oszilliert. Der Antrieb erfolgt mittels Elektromagnet. Dieser wird von einem Regelverstärker gespeist, der die von einem Sensor, beispielsweise einem Mikrofon, aufgenommenen Abgaspulsationen amplituden-, frequenz- und phasengerecht aufbereitet. Nachteilig ist der hohe Druckverlust durch die Schlitzblende. Der Einsatz hinter einem Verbrennungsmotor reduziert dessen Leistung erheblich.Both GB 778 033 and WO 91/09214 show one further implementation of this noise reduction principle. For this a slotted diaphragm is installed in the gas-carrying pipe, in front of an aperture slit in the same way oscillates. It is driven by an electromagnet. This is fed by a control amplifier, which the of a sensor, for example a microphone Exhaust gas pulsations in accordance with amplitude, frequency and phase processed. A disadvantage is the high pressure loss due to the Slit diaphragm. The use behind an internal combustion engine significantly reduces its performance.
Bei der praktischen Realisierung treten große Probleme auf. Aufgrund der Massenträgheit der oszillierenden Scheibe bzw. Blende einerseits und der beschränkten elektrischen Antriebsleistung andererseits werden in der Praxis bestenfalls Frequenzen von maximal ca. 200 Hz erreicht. Dies ist für eine praktische Anwendung zur Schalldämpfung der Abgaspulsationen von Verbrennungsmotoren noch zu wenig. Interessant wird diese Methode der Schalldämpfung erst dann, wenn der Frequenzbereich bis wenigstens 500 Hz beherrscht wird, weil dann die herkömmlichen passiven Schalldämpfer erheblich verkleinert werden können.Great problems arise in practical implementation. Due to the inertia of the oscillating disc or Aperture on the one hand and the limited electrical Drive power, on the other hand, will be in practice at best, frequencies of a maximum of approx. 200 Hz are reached. This is for a practical application for sound insulation Exhaust gas pulsations from internal combustion engines still too little. This method of sound attenuation only becomes interesting when if the frequency range dominates up to at least 500 Hz because then the conventional passive silencers can be significantly reduced.
Von der eben beschriebenen Methode der Schalldämpfung mittels Gegendruckpulsationen zu unterscheiden ist die ebenfalls bekannte Methode der Schalldämpfung mittels Lautsprecher, bei der ein Antischall mit dem Störschall zur akustischen Interferenz gebracht wird.From the method of noise reduction just described A distinction must be made between back pressure pulsations also known method of sound attenuation Loudspeaker with an anti-noise with the noise acoustic interference is brought.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, welche leicht und schnell ist, wenig Platz benötigt und vor allem einen excellenten Wirkungsgrad besitzt.The present invention has for its object a Device of the type mentioned to indicate which is light and fast, takes up little space and above all has an excellent efficiency.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.This object is achieved by a device with the Features of claim 1.
Die erfindungsgemäße Konstruktion vereinigt eine überraschend hohe akustische Wirkung mit einem geringen Druckverlust, da die Gase in Umfangsrichtung gleichmäßig abströmen können. Außerdem läßt sie leicht an unterschiedliche Motoren und Abgasanlagen anpassen. Dank der Position vor der Mündung des gasführenden Rohrs wird der entsprechende Impedanzsprung zusätzlich schalldämpfend wirksam.The construction according to the invention combines one surprisingly high acoustic effect with a low Pressure loss because the gases are uniform in the circumferential direction can flow off. It also starts easily adapt different engines and exhaust systems. thanks to the The position in front of the mouth of the gas-carrying pipe is the corresponding jump in impedance additionally sound absorbing effective.
Vorteilhafterweise ist das oszillierende Element eine federnd aufgehängte Membran. Bei richtiger Abstimmung des Masse-Feder-Verhältnisses kann die nötige Antriebsleistung verringert und die maximale Oszillationsfrequenz erhöht werden.The oscillating element is advantageously a spring-loaded membrane. If the Mass-spring ratio can provide the necessary drive power decreased and the maximum oscillation frequency increased will.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das oszillierende Element an einem Wellrohr oder Faltenbalg montiert, die den Antrieb umschließen. Diese Ausgestaltung ermöglicht große Hübe, besitzt eine relativ geringe Federkonstante und schützt insbesondere vor der Einwirkung aggressiver Gase.According to an advantageous embodiment of the invention the oscillating element on a corrugated pipe or bellows mounted that enclose the drive. This configuration enables large strokes, has a relatively small one Spring constant and protects in particular from exposure aggressive gases.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Mündung des Rohres, vor der das oszillierende Element positioniert ist, als Düse ausgebildet. Durch diese Querschnittsverringerung wird die Gasgeschwindigkeit erhöht. Die Oszillationsamplitude, die nötig ist, in eine bestimmte Gegendruckpulsation zu erzeugen, ist umgekehrt proportional zum Quadrat der Gasgeschwindigkeit. Durch die Verringerung des gasführenden Querschnitts wird also eine quadratische Reduzierung der erforderlichen Oszillationsamplituden möglich, was zu einer überproportionalen Reduzierung der Antriebsleistung und gleichzeitig zu einer überproportionalen Steigerung der maximalen Frequenz führt, zumal durch die Verringerung des Mündungsquerschnitts auch Größe und Masse des oszillierenden Elements selbst überproportional reduziert werden.According to an advantageous development of the invention the mouth of the tube, in front of the oscillating element is positioned as a nozzle. Through this Cross-sectional reduction, the gas velocity is increased. The oscillation amplitude that is needed in a particular Generating back pressure pulsation is inversely proportional to the square of the gas velocity. By reducing the gas-carrying cross-section becomes a square Reduction of the required oscillation amplitudes possible, resulting in a disproportionate reduction in Drive power and at the same time one disproportionate increase in the maximum frequency, especially by reducing the cross section of the mouth Size and mass of the oscillating element itself can be reduced disproportionately.
Daß dieser Effekt in der Technik bisher nicht erkannt und umgesetzt worden ist, zeigen die Fig. 3, 4 und 7 der WO 91/09214.That this effect has not yet been recognized in technology and 3, 4 and 7 of the WO have been implemented 91/09214.
Schließlich besteht die Möglichkeit, das oszillierende Element und seinen Antrieb aus einem spezifisch leichten Material, z. B. Titan, herzustellen.Finally, there is the possibility of oscillating Element and its drive from a specifically lightweight Material, e.g. B. Titanium.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung sind sowohl die Mündungen der Rohre als auch das oszillierende Element in einem geschlossenen Gehäuse untergebracht.According to one embodiment of the invention, both Mouths of the pipes as well as the oscillating element housed in a closed housing.
Anhand der Zeichnung soll die Erfindung in Form von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigenBased on the drawing, the invention in the form of Embodiments are explained in more detail. Show it
Fig. 1 rein schematisch eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zur Reduzierung der Druckpulsationen in gasführenden Rohren, Fig. 1 purely schematically a first embodiment of a device for reducing the pressure pulses in gas-carrying pipes,
Fig. 2 rein schematisch eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung zur Reduzierung der Druckpulsationen in gasführenden Rohren, Fig. 2 purely schematically a second embodiment of a device for reducing the pressure pulses in gas-carrying pipes,
Fig. 3 die Abhängigkeit der Druckverluste Delta P vom Gas-Massenstrom M bei unterschiedlichen Abständen d des oszillierenden Elements von der Rohrmündung bei einer Vorrichtung gemäß Fig. 1 und Fig. 3 shows the dependence of the pressure loss delta P from the gas mass flow M at different distances d of the oscillating member from the muzzle with a device according to Fig. 1 and
Fig. 4 den Druckverlustkoeffizienten in Abhängigkeit vom Abstand d des oszillierenden Elements von der Rohrmündung bei den unterschiedlichen Gas-Massenströmen. Fig. 4 shows the pressure loss coefficient as a function of the distance d of the oscillating element from the pipe mouth at the different gas mass flows.
Fig. 1 zeigt ein gasdichtes Gehäuse 10, in das zwei Rohre 1, 2 münden. Die Rohre 1, 2 führen pulsierende Gase, beispielsweise die Abgase einer Verbrennungskraftmaschine (nicht dargestellt). Fig. 1 shows a gas-tight housing 10, in the two tubes 1, 2 open. The tubes 1 , 2 carry pulsating gases, for example the exhaust gases of an internal combustion engine (not shown).
In einem Abstand d vor der Mündung 1′ des die Gase zuführenden Rohrs 1 ist eine Platte 3 positioniert. Die Platte 3 wird mit Hilfe eines Antriebs 4 in oszillierende Hubbewegungen versetzt; dabei wird der Abstand d zwischen Rohrmündung 1′ und oszillierender Platte 3 um den Oszillationshub H variiert.At a distance d in front of the mouth 1 'of the tube 1 supplying the gases, a plate 3 is positioned. The plate 3 is set by means of a drive 4 in oscillating lifting movements; the distance d between the pipe mouth 1 'and the oscillating plate 3 is varied by the oscillation stroke H.
In dem Rohr 1 sitzt stromaufwärts der Mündung 1′ ein Sensor 5, der die Druckpulsationen aufnimmt und an einen Regelverstärker 6 weitergibt. In diesem wird das Signal nach Amplitude, Frequenz und Phase so aufbereitet, daß die oszillierende Platte 3 zu den Pulsationen im Rohr 1 amplituden-, frequenz- und phasenrichtige Gegendruckpulsationen erzeugt, was zu einer Reduzierung der Pulsationen und damit zur gewünschten Schalldämpfung führt.In the tube 1 sits upstream of the mouth 1 ', a sensor 5 which picks up the pressure pulsations and passes them on to a control amplifier 6 . In this, the signal is processed according to amplitude, frequency and phase in such a way that the oscillating plate 3 generates back-pressure pulsations with the correct amplitude, frequency and phase for the pulsations in the tube 1 , which leads to a reduction in the pulsations and thus to the desired sound attenuation.
Fig. 2 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel eine Vorrichtung, welche sich von der der Fig. 1 in zwei Punkten unterscheidet. FIG. 2 shows, as a further exemplary embodiment, a device which differs from that of FIG. 1 in two points.
Zum einen ist hinter der oszillierenden Platte 3 ein Wellrohr 7 bzw. Faltenbalg so montiert, daß der Antrieb 4 davon umschlossen ist. Dadurch ist der Antrieb 4 vor den Einwirkungen der Gase, beispielsweise der aggressiven Abgase, geschützt. Gleichzeitig erlauben Faltenbalg bzw. Wellrohr einen großen Oszillationshub bei nur geringen Federkräften.On the one hand, a corrugated tube 7 or bellows is mounted behind the oscillating plate 3 in such a way that the drive 4 is enclosed by it. This protects the drive 4 from the effects of the gases, for example the aggressive exhaust gases. At the same time, bellows or corrugated pipe allow a large oscillation stroke with only low spring forces.
Zum anderen ist die Mündung 1′ des die Gase zuführenden Rohrs 1 düsenartig verjüngt. Dadurch werden die Gase vor dem Austritt aus dem Rohr 1 beschleunigt. Da die Stärke der Gegendruckpulsationen, die die oszillierende Platte 3 erzeugen muß, umgekehrt proportional ist zum Quadrat der Gasgeschwindigkeit, kann durch die Verringerung des Rohrquerschnitts beispielsweise auf ein Drittel der erforderliche Oszillationshub H′ der Platte 3 auf ein Neuntel reduziert werden. Gleichzeitig reduziert sich auch die Masse der Platte 3, was eine weitere Erhöhung der Oszillationsfrequenz ermöglicht.On the other hand, the mouth 1 'of the tube 1 supplying the gases is tapered like a nozzle. This accelerates the gases before they exit tube 1 . Since the strength of the back pressure pulsations, which the oscillating plate 3 has to produce, is inversely proportional to the square of the gas velocity, for example, by reducing the pipe cross section to a third of the required oscillation stroke H 'of the plate 3 can be reduced to a ninth. At the same time, the mass of the plate 3 is also reduced, which enables a further increase in the oscillation frequency.
Fig. 3 zeigt die Abhängigkeit des Druckverlustes Delta P, gemessen in Pascal (Pa), bei steigendem Gas-Massenstrom M, gemessen in kg/h, für verschiedene Abstände d zwischen Rohrmündung 1′ und Platte 3 für einen bestimmten Rohrdurchmesser D (Fig. 1). Man erkennt, daß bei ausreichend großem Abstand d nur geringe Druckverluste auftreten und daß relativ große Oszillationshübe H erforderlich sind. Fig. 3 shows the dependence of the pressure loss Delta P, measured in Pascal (Pa), with increasing gas mass flow M, measured in kg / h, for different distances d between the pipe mouth 1 'and plate 3 for a specific pipe diameter D ( Fig. 1). It can be seen that with a sufficiently large distance d only slight pressure losses occur and that relatively large oscillation strokes H are required.
Fig. 4 zeigt den aus den Meßdaten der Fig. 3 errechneten Verlauf des Druckverlustkoeffizienten in Abhängigkeit vom Abstand d zwischen Rohrmündung 1′ und oszillierender Platte 3, wobei der Gas-Massenstrom M als Parameter dient. Wie man sieht, decken sich die Kurven weitestgehend. Dies bedeutet, daß der Druckverlustkoeffizient praktisch unabhängig ist vom jeweiligen Gas-Massenstrom M. Die entsprechenden Motor-Betriebsparameter haben somit keinen Einfluß auf die Wirkung der erfindungsgemäßen Schalldämpfer. Fig. 4 shows the course of the pressure loss coefficient calculated from the measurement data of Fig. 3 as a function of the distance d between the pipe mouth 1 'and the oscillating plate 3 , the gas mass flow M serving as a parameter. As you can see, the curves largely coincide. This means that the pressure loss coefficient is practically independent of the respective gas mass flow M. The corresponding engine operating parameters therefore have no influence on the effect of the muffler according to the invention.
Abschließend soll noch darauf hingewiesen werden, daß die oszillierende Platte 3 nicht nur vor der Mündung 1′ des die Gase zuführenden Rohrs 1, sondern auch vor der Mündung 2′ des die Gase abführenden Rohrs 2 positioniert werden kann.Finally, it should be pointed out that the oscillating plate 3 can be positioned not only in front of the mouth 1 'of the tube 1 supplying the gases, but also in front of the mouth 2 ' of the tube 2 discharging the gases.
Claims (7)
- - ein oszillierendes Element (3),
- - einen Antrieb (4) für das Element (3),
- - einen Sensor (5) zum Messen der Druckpulsationen
- - und einen Regelverstärker (6) zum Speisen des Antriebs (4) mit einem amplituden-, frequenz- und phasenrichtigen Signal,
- - an oscillating element ( 3 ),
- - A drive ( 4 ) for the element ( 3 ),
- - A sensor ( 5 ) for measuring the pressure pulsations
- - And a control amplifier ( 6 ) for feeding the drive ( 4 ) with an amplitude, frequency and phase correct signal,
- - das oszillierende Element ist eine Platte (3),
- - die Platte (3) ist vor der Mündung (1′) eines der gasführenden Rohre (1) positioniert,
- - das oszillierende Element (3) schwingt in Längsrichtung des Rohres (1), vor dessen Mündung (1′) es positioniert ist.
- - The oscillating element is a plate ( 3 ),
- - The plate ( 3 ) is positioned in front of the mouth ( 1 ') of one of the gas-carrying pipes ( 1 ),
- - The oscillating element ( 3 ) swings in the longitudinal direction of the tube ( 1 ), in front of the mouth ( 1 ') it is positioned.
- - das oszillierende Element (3) ist eine federnd aufgehängte Membran.
- - The oscillating element ( 3 ) is a spring-loaded membrane.
- - das oszillierende Element (3) ist an einem Wellrohr (7) oder Faltenbalg montiert,
- - Wellrohr (7) bzw. Faltenbalg umschließen den Antrieb (4).
- - The oscillating element ( 3 ) is mounted on a corrugated tube ( 7 ) or bellows,
- - Corrugated tube ( 7 ) or bellows enclose the drive ( 4 ).
- - die Mündung (1′) des Rohrs (1) ist als Düse ausgebildet.
- - The mouth ( 1 ') of the tube ( 1 ) is designed as a nozzle.
- - die Mündungen (1′, 2′) der Rohre (1, 2) und das oszillierende Element (3) sind in einem Gehäuse (10) untergebracht.
- - The mouths ( 1 ', 2 ') of the tubes ( 1 , 2 ) and the oscillating element ( 3 ) are housed in a housing ( 10 ).
- - das oszillierende Element (3) und/oder Teile seines Antriebs (4, 7) bestehen aus einem spezifisch leichten Material, z. B. Titan.
- - The oscillating element ( 3 ) and / or parts of its drive ( 4 , 7 ) consist of a specific light material, for. B. Titan.
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