DE4439705A1

DE4439705A1 - Vorrichtung zur Reduzierung der Druckpulsationen in gasführenden Rohren

Info

Publication number: DE4439705A1
Application number: DE4439705A
Authority: DE
Inventors: Garcia Dipl Ing Patrick; Bernd Fuhrmann
Original assignee: Heinrich Gillet GmbH
Current assignee: Tenneco GmbH
Priority date: 1994-11-05
Filing date: 1994-11-05
Publication date: 1996-05-09

Description

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Reduzierung der Druckpulsationen in gasführenden Rohren, insbesondere in Abgasanlagen von Kraftfahrzeugen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist seit langem bekannt, Pulsationen in gasführenden Rohren dadurch zu beseitigen, daß mit Hilfe einer rotierenden oder oszillierenden Blende ein amplituden-, frequenz- und Phasenrichtiger Gegendruck erzeugt wird. 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 an einer Achse befestigte Kreisscheibe in einem Rohr mit Kreisquerschnitt oszilliert, hat in der jüngsten Zeit verstärktes Interesse gefunden. Ziel dieser Entwicklungsarbeiten ist es, die herkömmlichen großvolumigen, Passiven Schalldämpfer zu beseitigen.

Bei der Realisierung dieser Konstruktion treten jedoch große Probleme auf. Aufgrund des Trägheitsmoments des oszillierenden Elements einerseits und der bei der Anwendung im Kraftfahrzeug beschränkten elektrischen Antriebsleistung andererseits werden in der Praxis bestenfalls Frequenzen von 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 etwa 500 Hz beherrscht wird. Reste von höherfrequentem Störschall können mit herkömmlichen passiven Schalldämpfern beseitigt werden.

Hier setzt nun die vorliegende Erfindung ein, die sich die Aufgabe gestellt hat, die eingangs genannte Vorrichtung derart weiterzuentwickeln, daß die erforderlichen Gegendruckpulsationen mit kleineren und trägheitsärmeren oszillierenden Elementen einerseits und kleineren Oszillationsamplituden andererseits erzeugt werden können.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Mit der Verringerung des gasführenden Rohrquerschnitts verringert sich auch die Größe des oszillierenden Elements, wodurch dessen Trägheitsmoment quadratisch sinkt und die maximale Oszillationsfrequenz steigt. Dadurch, daß die Querschnittsverringerung allmählich zu- und abnimmt, vorzugsweise nach Art einer Venturi-Düse, bleibt der Druckverlust klein.

Der wesentliche Vorteil resultiert jedoch aus der Erhöhung der Gasgeschwindigkeit in der Düse. Die Oszillationsamplitude des Elements, die nötig ist, um einen bestimmten Gegendruck zu erzeugen, ist umgekehrt Proportional zum Quadrat der Gasgeschwindigkeit. Durch die Erhöhung der Gasgeschwindigkeit wird also eine quadratische Reduzierung der erforderlichen Oszillationsamplituden möglich.

Die kombinierte Wirkung des quadratisch verkleinerten Trägheitsmoments und der quadratisch verkleinerten Oszillationsamplitude führt zu einer deutlichen Reduzierung der Antriebsleistung und zu einer überproportionalen Steigerung der maximalen Oszillationsfrequenz.

Daß dieser Effekt in der Technik bisher nicht erkannt worden war, zeigen die Fig. 3, 4 und 7 der PCT-Anmeldung WO 91/09214.

Es versteht sich, daß die gewünschte Verkleinerung des Trägheitsmoments durch weitere Maßnahmen unterstützt werden kann. So empfiehlt es sich, statt der üblichen Kreisklappen Rechteckklappen mit großer Länge und geringer Breite zu verwenden. Um derart lange Klappen gleichmäßig mit Gas zu beaufschlagen, erfolgt die Anströmung vorzugsweise unter einem möglichst flachen Winkel.

Eine weitere Reduzierung des Trägheitsmoments erhält man bei Verwendung spezifisch leichter Werkstoffe, beispielsweise Titan statt Stahl.

Die allmähliche Querschnittsverringerung und -erweiterung läßt sich nicht nur mit Hilfe einer starren Venturi-Düse mit darin oszillierendem Element erreichen. Eine alternative Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, in die Wand des gasführenden Rohres eine elastische Membran einzusetzen. Sobald das Zentrum der Membran zum Rohrinneren hin bewegt wird, stellt sich eine düsenartige allmähliche Querschnittsverringerung und -erweiterung vor bzw. hinter der engsten Stelle ein. Dabei wirkt die Membran sowohl als Düse mit variablem Querschnitt zur Erhöhung der Gasgeschwindigkeit bei geringem Gegendruck als auch als oszillierendes Element zur Erzeugung der Gegendruckpulse.

Versuche haben gezeigt, daß der erfindungsgemäße aktive Schalldämpfer bevorzugt als Mittelschalldämpfer einzusetzen ist. Der Passive Nachschalldämpfer hat nur noch ein sehr kleines Volumen, da er nur noch die Frequenzen oberhalb der Grenzfrequenz des erfindungsgemäßen aktiven Systems - typisch 500 Hz - beseitigen muß.

Die besten Ergebnisse erzielt man, wenn das oszillierende Element an einem Ort minimalen Drucks im gasführenden Rohr Positioniert ist.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung in Form von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform eines aktiven Schalldämpfers,

Fig. 2 einen Querschnitt durch die Ausführungsform der Fig. 1,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines aktiven Schalldämpfers,

Fig. 4 einen Querschnitt durch die Ausführungsform der Fig. 3,

Fig. 5 einen Längsschnitt durch eine dritte Ausführungsform eines aktiven Schalldämpfers,

Fig. 6 eine Ansicht der Ausführungsform der Fig. 5 und

Fig. 7 eine systematische Darstellung einer Abgasanlage für ein Kraftfahrzeug unter Verwendung eines aktiven Schalldämpfers.

Die Fig. 1 und 2 zeigen ein Rohr 1, in dem ein pulsierender Gasstrom, beispielsweise die Abgase eines Verbrennungsmotors, geführt wird. Einer der Sensoren 2, 2′ erfaßt die Gaspulsationen. Das elektrische Signal wird in einem Regelverstärker 3 verstärkt, mittels eines eingebauten Kontrollers in Phase und Amplitude angepaßt und speist dann einen Antrieb 4, der seinerseits mit der Schwenkachse 5 einer oszillierenden Kreisscheibe 10.1 gekoppelt ist.

Die oszillierende Kreisscheibe 10.1 sitzt im engsten Bereich das gasführenden Rohrs 1, der als Venturi-Düse 6 mit Diffusor 6′ ausgestaltet ist. Dadurch sind Fläche, Masse und Trägheitsmoment der oszillierenden Kreisscheibe 10.1 reduziert, so daß höhere Grenzfrequenzen erreicht werden, ohne daß Regelverstärker 3 und Antrieb 4 höhere Leistung liefern müssen. Bei einer Reduzierung der linearen Abmessungen der Kreisscheibe 10.1 z. B. auf ein Drittel reduziert sich ihr Trägheitsmoment auf ein Neuntel. Dank der Venturi-Düse 6, 6′ wird der durch die Querschnittsverringerung erzeugte Druckverlust im wesentlichen wiedergewonnen, so daß der Druckverlust des aktiven Schalldämpfers klein bleibt.

Ein weiterer Effekt der Querschnittsverringerung resultiert aus dem physikalischen Effekt, daß die Oszillationsamplitude der Kreisscheibe 10.1, die erforderlich ist, um einen bestimmten Gegendruck zu erzeugen, umgekehrt proportional ist zum Quadrat der Gasgeschwindigkeit. Das bedeutet, daß bei einer Erhöhung der Gasgeschwindigkeit im Bereich der Venturi-Düse 6, 6′ z. B. um den Faktor Drei die erforderliche Oszillationsamplitude der Kreisscheibe 10.1 auf ein Neuntel reduziert wird. Die Summe beider Effekte führt zu einer deutlichen Verbesserung des aktiven Systems.

Die Fig. 3 und 4 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel. Man erkennt ein gasführendes Rohr 1 mit rechteckigem Querschnitt. In eine Wand des Rohrs 1 ist eine Membran 10.3 eingesetzt, die dank ihres elastischen Randes 10.4 mit Hilfe eines oszillierenden Antriebs 5′ mehr oder weniger tief in das Innere des Rohrs 1 hinein verformt werden kann. Dabei verringert sich der das führende Rohrquerschnitt vor der Engstelle allmählich, um hinter der Engstelle ebenso allmählich wieder zuzunehmen. Damit wird der Venturi-Effekt nachgebildet.

Bei dieser Ausführungsform bildet die sich verformende Membran 10.3 sowohl das oszillierende Element, welches die Gegendruckpulsationen erzeugt, als auch die Düse, welche die Gasgeschwindigkeit erhöht, als auch den Diffusor, der den Druckverlust klein hält.

Die Fig. 4 und 5 zeigen ein drittes Ausführungsbeispiel. Das oszillierende Element wird hier durch eine Rechteckplatte 10.5 mit großer Länge und geringer Breite gebildet. Diese Klappenform besitzt ein erheblich geringeres Trägheitsmoment als die Kreisklappe 10.1. Um die Anströmung einer derart langen oszillierenden Klappe 10.5 zu vergleichmäßigen, ist die Rechteckklappe 10.5 unter einem möglichst flachen Winkel angeströmt, wobei durch die Ausgestaltung der Düse 6′′ die gewünschte Erhöhung der Gasgeschwindigkeit sichergestellt wird.

Die vorteilhafte Verkleinerung des Trägheitsmoments der oszillierenden Elemente läßt sich auch durch die richtige Auswahl des Klappenmaterials steuern. So hat beispielsweise Titan gegenüber Stahl ein erheblich geringeres spezifisches Gewicht bei ansonsten wenigstens gleich guten Gebrauchseigenschaften.

Fig. 7 zeigt die optimale Einbauposition eines erfindungsgemäßen aktiven Systems 10 in die Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor 20, Motorkrümmer 21 und Abgaskatalysator 22. Das aktive System 10 ersetzt den üblichen Mittelschalldämpfer. Aufgrund seiner Grenzfrequenz von typisch 500 Hz ist es für die aktive Dämpfung der tieffrequenten Frequenzkomponenten im Störschall zuständig. Da das aktive System 10 kein Gehäuse benötigt, sondern lediglich eine düsenartige Verengung des abgasführenden Rohrs 1, kann es grundsätzlich an jeder beliebigen Stelle positioniert werden. Die optimale Wirkung stellt sich jedoch nur dann ein, wenn die Positionierung an einem Ort geringsten Drucks im abgasführenden Rohr 1 erfolgt.

Die im aktiven System 10 nicht gedämpfen höherfrequenten Störschallanteile sowie das im aktiven System 10 zwangsläufig gebildete Strömungsrauschen werden in einem passiven Nachschaldämpfer 23 beseitigt. Der Nachschalldämpfer kann sehr kleingehalten werden - typisches Volumen 8 l - und sehr einfach aufgebaut sein. So ist eine einzige Absorptionskammer meist ausreichend. Die entstörten Abgase verlassen das Abgassystem schließlich über ein Endrohr 24.

Wie oben erwähnt, wird das vom Sensor 2, 2′ aufgenommene Signal mit Hilfe eines in den Regelverstärker 3 eingebauten Kontrollers in Amplitude und Phase angepaßt. Durch entsprechende Auslegung der im Kontroller gespeicherten Übertragungsfunktion ist es möglich, die Art und Weise, wie das oszillierende Element 10.1, 10.3, 10.5 die Gegendruckpulse erzeugt, aktiv zu beeinflussen. Es ist auf diese Weise möglich, bestimmte Frequenzkomponenten mehr oder weniger stark zu dämpfen oder auch neue Frequenzkomponenten hinzuzufügen, so daß die Abgasanlage, selbstverständlich im Rahmen der gesetzlichen Vorschriften, praktisch jeden vom Kunden gewünschten Sound produzieren kann.

Claims

1. Vorrichtung zur Reduzierung der Druckpulsationen in gasführenden Rohren (1), insbesondere in Abgasanlagen von Kraftfahrzeugen, umfassend

- ein oszillierendes Element (10.1, 10.3) im Inneren des Rohres (1),
- einen Antrieb (4) für das Element (10.1, 10.3),
- einen Sensor (2, 2′) zum Messen der Druckpulsationen
- und einen Regelverstärker (3) mit Kontroller zum Verstärken der Amplitude, zum Drehen der Phase und zum Speisen des Antriebs (4),

gekennzeichnet durch das Merkmal:

- der Querschnitt des Rohrs (1) verringert sich vor und erweitert sich hinter dem oszillierenden Element (10.1, 10.3, 10.5) allmählich.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- das Rohr (1) ist im Bereich des oszillierenden Elements (10.1) als Düse mit Diffusor (6, 6′, 6′′), insbesondere als Venturi-Düse, ausgebildet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- das oszillierende Element ist eine Kreisklappe (10.1).

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- das oszillierende Element ist eine Rechteckklappe (10.5) von großer Länge und geringer Breite.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- die Rechteckklappe (10.5) ist unter einem möglichst flachen Winkel angeströmt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- in die Wand des Rohrs (1) ist eine elastisch verformbare Membran (10.3, 10.4) als oszillierendes Element eingesetzt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- das oszillierende Element (10.1, 10.3, 10.5) besteht aus Titan.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch das Merkmal:

- das oszillierende Element (10.1, 10.3, 10.5) ist an einem Ort geringsten Drucks im gasführenden Rohr (1) positioniert.

9. Verwendung einer Vorrichtung nach den Ansprüche 1 bis 8 als Mittelschalldämpfer (10) in Abgasanlagen (20 . . . 24) von Kraftfahrzeugen.