DE602004008774T2

DE602004008774T2 - Schalldämpfer mit verbesserter akustischer leistung bei niedrigen und mittleren frequenzen

Info

Publication number: DE602004008774T2
Application number: DE602004008774T
Authority: DE
Inventors: Norman T. Brighton HUFF; Selamet Dublin AHMET; Lee Columbus ILJAE; Larry J. Horton CHAMPNEY
Original assignee: Owens Corning; Ohio State University Research Foundation; Owens Corning Fiberglas Corp
Current assignee: Owens Corning; Ohio State University Research Foundation
Priority date: 2003-05-02
Filing date: 2004-04-30
Publication date: 2008-06-12
Anticipated expiration: 2024-05-01
Also published as: US7281605B2; ES2293303T3; EP1633958A1; JP4675887B2; DE602004008774D1; JP2006525471A; US20040262077A1; EP1633958B1; WO2004099576A1; ATE372447T1; KR20060008972A

Description

STAND DER TECHNIK
Typische Schalldämpfer oder Auspufftöpfe 10 absorbierenden Typs, die in 1 gezeigt werden (auch als dissipative Schalldämpfer bekannt), umfassen eine Außenschale 12 und ein poröses Rohr 14, das die Eingangs- und Ausgangsrohre 14A und 14B zur Fluidverbindung des Abgases aus einer Brennkraftmaschine verbindet. Schallabsorbierendes Material 18 ist zwischen dem porösen Rohr 14 und der Innenseite der Schalldämpferkammer gefüllt. Durch die schallabsorbierenden Eigenschaften des schallabsorbierenden Materials 18 reduzieren Absorptionsschalldämpfer die Schallenergie bei mittleren und hohen Frequenzen (typischerweise über 200 Hz) auf effektive Weise. Die "Breitband"-Absorption von Schallenergie ist in Kraftfahrzeug-Auspuffanwendungen erwünscht, weil die Frequenz der Schallenergie, die von der Brennkraftmaschine erzeugt wird, mit der Änderung der Drehzahl (U/Min) und der Abgastemperatur variiert.
Zum Beispiel beschreibt JP 10-252442 A einen Schalldämpfer, um die schalldämpfende Wirkung für Niederfrequenzschall zu erhöhen, indem zwei Resonanzkammern in Reihe geschaltet werden. Der Schalldämpfer umfasst ein äußeres Rohr, das in einem Raum angeordnet ist, der auf dem Außenumfang eines inneren Rohrs mit zwei Enden vorgesehen ist. Eine Hochfrequenz-Resonanzkammer ist zwischen dem inneren Rohr und einem Abdeckrohr geformt. Der Schalldämpfer umfasst zudem einen Resonator mit zwei Kammern, die verschiedene Volumen aufweisen, die über einen Zwischenraum zwischen dem inneren Rohr und dem Abdeckrohr in Verbindung stehen. Das innere Rohr ist perforiert und mindestens eine Perforation ist mit dem Zwischenraum akustisch gekoppelt.
Auch JP 1-190912 A betrifft eine Auspuffanlage, umfassend Mittel, um zwischen dem Einlass/der Absperrung des Abgases umzuschalten, wenn das Fahrzeug instabil ist. Dieses Dokument beschreibt eine Auspuffanlage, umfassend eine Außen schale und eine Vielzahl von Abgasleitungen, die Gase durch die Anlage leiten. Eine erste perforierte Abgasleitung leitet Gase vom Einlass durch eine erste Kammer zu einer zweiten Kammer, eine zweite Abgasleitung leitet Gase von der zweiten zu einer dritten Kammer, und eine dritte Abgasleitung leitet Gase von der zweiten Kammer aus der Abgasanlage aus.
Ein anderer Typ von Schalldämpfer ist, was typischerweise ein Reflexionsschalldämpfer genannt wird. In Reflexionsschalldämpfern sind Elemente ausgelegt, um Schallwellen zu reflektieren oder zu erzeugen, die eine destruktive Wirkung auf Schallwellen haben, die aus der Brennkraftmaschine kommen. Ein Typ eines schallreflektierenden Elements ist allgemein als Helmholtzscher Resonator bekannt. Ein Helmholtzscher Resonator ist eine Kammer mit einem offenen Hals. Ein Luftvolumen, das in der Kammer und im Hals liegt, vibriert aufgrund der periodischen Kompression der Luft in der Kammer. Helmholtzsche Resonatoren können mit Abgasrohren von Brennkraftmaschinen verbunden werden, wie in 3 gezeigt, um das Geräusch aufzuheben, das durch die Zündung der Kolben der Brennkraftmaschine (typischerweise 30 bis 400 Hz) verursacht wird. 3 veranschaulicht auf schematische Weise einen Schalldämpfer 50, umfassend eine starre Außenschale 52, einen Helmholtzschen Resonator 54 mit einem Halsabschnitt 54a, der einen Innendurchmesser D_T und eine Länge LT aufweist, und einen Kammerabschnitt 54b, der einen Innendurchmesser D_C und eine Länge L_C aufweist.
Die Spitzendämpfungsfrequenz der Schallenergie, das heißt, die Frequenz, bei der die größte Übertragungsdämpfung auftritt, ist typischerweise eine Funktion des Volumens des Kammerabschnitts 54b des Helmholtzschen Resonators 54 und des Innendurchmessers D_T und der Länge L_T des Halsabschnitts. Wenn zum Beispiel das Kammervolumen größer wird und der Innendurchmesser D_T und die Länge LT des Halsabschnitts gleich bleiben, nimmt die Spitzendämpfungsfrequenz ab, und wenn das Kammervolumen kleiner wird, nimmt die Spitzendämpfungsfrequenz zu.
Wenn der Helmholtzsche Resonator 54 als Seitenzweig angeschlossen wird, wie in 3 gezeigt, weist der Seitenzweig sowohl Masse (Trägheit) als auch Nachgiebigkeit auf. Dieses akustische System wird als Helmholtzscher Resonator bezeichnet und verhält sich ähnlich wie ein Masse-Feder-Dämpfungssystem. Der Resonator weist einen Hals mit einem Durchmesser D_T und einer Fläche S_b, eine effektive Halslänge L_eff = L + 0,85 D_T und ein Hohlraumvolumen V (eine Funktion von D_C und L_C) auf. Das Hohlraumvolumen resoniert bei einer Frequenz und während des Resonanzvorgangs steht es mit Energie in Wechselwirkung. Die ganze Energie, die während eines Teils des akustischen Zyklusses vom Resonator absorbiert wird, wird später im Zyklus an das Rohr zurückgegeben. Die Phasenbeziehung ist derart, dass die Energie zur Quelle hin zurückgegeben wird – sie wird nicht durch die Leitung weitergegeben. Da keine Energie aus dem System entweicht, ist der Realteil der Zweigimpedanz R_b = 0. Der Imaginärteil der Impedanz kann in Form der Nachgiebigkeit und Trägheit des Resonators ausgedrückt werden, X_b = p(w L_eff/S_b-c²/wV), sodass die Gleichung der Schallleistungsdurchlässigkeitsfaktors wie in Gleichung (1) gezeigt geschrieben werden kann.
Die durchgelassene Leistung ist gleich null, wenn w = w₀ in Gleichung (1), was die Resonanzfrequenz des Resonators ist, bei der die ganze Energie zurück zur Quelle reflektiert wird. Diese Filter reduzieren Schall in einem Band um die Resonanzfrequenz herum und lassen alle anderen Frequenzen durch. Der enge Frequenzbereich, über welchen hinweg die Interferenz auftritt, ist in einer Kraftfahrzeug-Abgasanlage normalerweise keine wünschenswerte Bedingung, da die Frequenz der Schallenergie mit der Änderung der Drehzahl (U/Min) der Maschine und der Abgastemperatur variiert.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft einen Schalldämpfer oder Auspufftopf für eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Schalldämpfer mit den Dämpfungseigenschaften eines Helmholtzschen Resonators für eine Brennkraftmaschine und den Absorptionseigenschaften eines dissipativen Schalldämpfers. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines verbesserten Schalldämpfers oder Auspufftopfs zur Verwendung mit einer Brennkraftmaschine, der sowohl ein oder mehrere dissipative Schalldämpferelemente als auch ein oder mehrere reflektierende Elemente wie z. B. einen Helmholtzschen Resonator umfasst. Eine andere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung verbesserter dissipativer Elemente und Resonatoren zur Verwendung in solch einem Auspufftopf. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines kombinierten dissipativen Schalldämpfers und Resonators in einem einzigen Auspufftopf, der zur Verwendung mit Standardkraftfahrzeugbautechniken geeignet ist und der im Vergleich zum Stand der Technik einer überlegene Leistung aufweist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Grundriss eines Absorptionsschalldämpfers nach dem Stand der Technik.
1A ist ein Grundriss eines Absorptionsschalldämpfers mit einem inneren Ablenkblech.
2A ist ein Graph der Übertragungsdämpfung (y) ohne Luftströmung gegenüber der Frequenz (x) nach den Vorhersa gen der Grenzelemente-Methode (BEM) für einen dissipativen Schalldämpfer mit einem inneren Ablenkblech und einen dissipativen Schalldämpfer ohne ein derartiges Ablenkblech.
2B ist ein Graph der Übertragungsdämpfung (y) ohne Luftströmung gegenüber der Frequenz (x) nach Versuchsdaten, die für einen dissipativen Schalldämpfer mit einem und zwei inneren Ablenkblech(en) und einen dissipativen Schalldämpfer ohne solch ein Ablenkblech erzeugt wurden.
3 ist ein Grundriss eines Helmholtzschen Resonators nach dem Stand der Technik, der als ein Seitenzweig in einer Abgasanlage angeordnet ist.
3A ist ein Grundriss eines mit einem faserigen Material ausgekleideten Helmholtzschen Resonators, der als ein Seitenzweig in einer Abgasanlage angeordnet ist.
4 ist ein Graph der Übertragungsdämpfung (y) ohne Luftströmung gegenüber der Frequenz (x) nach Versuchsdaten, die für einen Helmholtzschen Resonator mit verschiedenen Mengen eines faserigen Füllmaterials erzeugt wurden.
5 ist ein Grundriss eines Schalldämpfers nach dem Stand der Technik.
5A ist ein Querschnitt von 5 entlang der Linie 5A.
6 ist ein Grundriss eines Schalldämpfers nach dem Stand der Technik.
6A ist ein Querschnitt von 6 entlang der Linie 6A.
7A ist ein Graph der Übertragungsdämpfung (y) ohne Luftströmung gegenüber der Frequenz (x) nach Versuchsdaten, die für 4 Prototypen von Schalldämpfern nach Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und einen Schalldämpfer mit Reflexionsschalldämpfern nach dem Stand der Technik mit Eingangs- und Ausgangsrohren mit zwei verschiedenen Größen erzeugt wurden.
7B ist ein Graph der Übertragungsdämpfung (y) ohne Luftströmung gegenüber der Frequenz (x) nach Versuchsdaten, die für 4 Prototypen von Schalldämpfern nach Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und einen Schalldämpfer mit Reflexionsschalldämpfern nach dem Stand der Technik mit Eingangs- und Ausgangsrohren mit zwei verschiedenen Größen erzeugt wurden.
8A ist ein Graph der Übertragungsdämpfung (y) ohne Luftströmung gegenüber der Frequenz (x) nach Versuchsdaten, die für 4 erfindungsgemäße Schalldämpfer-Ausführungsformen erzeugt wurden.
8B ist ein Graph der Übertragungsdämpfung (y) ohne Luftströmung gegenüber der Frequenz (x) nach Versuchsdaten, die für 4 erfindungsgemäße Schalldämpfer-Ausführungsformen erzeugt wurden.
9 ist ein Grundriss eines Schalldämpfers nach dem Stand der Technik.
9A ist ein Querschnitt von 9 entlang der Linie 9A.
10 ist ein Grundriss eines Schalldämpfers mit einem Ablenkblech nach mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10A ist ein Grundriss eines Absorptionsschalldämpfers mit einem Ablenkblech, das im Schalldämpfer von 10 verwendet wird.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Der Auspufftopf 10 von 1A umfasst eine starre Außenschale 12, die durch erste und zweite Schalenteile 12a und 12b definiert wird. Die Schalenteile 12a und 12b sind aus einem Metall, einem Harz oder einem Verbundwerkstoff geformt, der zum Beispiel aus Verstärkungsfasern und einem Harzmaterial besteht. Beispiele geeigneter Außenschalen-Verbundwerkstoffe werden im US-Patent Nr. 6.668.972 mit dem Titel „Bumper/Muffler Assembly" beschrieben. Alternativ dazu ist es auch möglich, dass die Außenschale ein einziges Schalenteil oder zwei oder mehr Schalenteile umfasst. Durch die Außenschale 12 hindurch erstreckt sich ein perforiertes Metallrohr 14, das zum Beispiel aus einem Edelstahl geformt ist. In der Innenkammer 13a der Außenschale ist auch ein Ablenkblech 15 oder eine Trennwand vorgesehen, bestehend aus Stahl, einem anderen Metall, einem Harz oder einem Verbundwerkstoff wie z. B. einer der Außenschalen-Verbundwerkstoffe, die im US-Patent Nr. 6.668.972 offenbart werden. Das Ablenkblech 15 teilt die Innenkammer 13a in erste und zweite, im Wesentlichen gleich große Innenkammern 13b und 13c auf. Es ist auch möglich, dass das Ablenkblech 15 die Innenkammer 13a in erste und zweite Kammern mit ungleichen Größen unterteilt.
Im Inneren der Außenschale 12 und zwischen dem Rohr 14 und der Schale 12 ist ein faseriges Material 18 vorgesehen. Das faserige Material 18 füllt im Wesentlichen sowohl die erste als auch die zweite Kammer 13b und 13c aus. Das faserige Material 18 kann aus einem oder mehreren kontinuierlichen Glasfilamentsträngen geformt sein, wobei jeder Strang eine Vielzahl von Filamenten umfasst, die durch Druckluft so getrennt oder texturiert werden, dass sie in der Außenschale 12 ein loses wollartiges Produkt ergeben, siehe zum Beispiel die US-Patente Nr. 5.976.453 und 4.569.471 . Die Filamente können aus kontinuierlichen Glassträngen wie z. B. E-Glas, S2-Glas oder anderen Glaszusammensetzungen bestehen. Das kontinuierliche Strangmaterial kann ein E-Glasroving wie z. B. ein borarmes, fluorarmes Hochtemperaturglas umfassen, das von Owens Corning unter dem Warenzeichen ADVANTEX^® angeboten wird, oder ein S2-Glasroving, das von Owens Corning unter dem Warenzeichen ZenTron^® angeboten wird.
Es ist auch möglich, anstelle des Glasfasermaterials ein Keramikfasermaterial zu verwenden, um die Außenschale 12 zu füllen. Keramikfasern können verwendet werden, um direkt in die Schale gefüllt zu werden, oder, um einen Schalldämpfer-Vorformling zu formen, der dann in die Schale 12 gelegt wird. Es ist auch möglich, Vorformlinge aus einem diskontinuierlichen Glasfaserprodukt herzustellen, das durch einen Steinwolle-Prozess oder einen Spinnprozess erzeugt wird, wie z. B. einen der Spinnprozesse, die verwendet werden, um die Glasfaser-Wärmeisolierung für Wohn- und Gewerbeanwendungen herzustellen, oder aus Glasmattenprodukten.
Zudem ist es möglich, kontinuierliche Glasstränge zu texturieren und zu einem oder mehreren Vorformlingen zu formen, die dann in die Schalenteile 12a oder 12b gelegt werden können, bevor die Schalenteile 12a und 12b miteinander verbunden werden, um den Vorformling zu formen. Prozesse und Vorrichtungen zum Formen derartiger Vorformlinge werden in den US-Patenten Nr. 5.776.541 und 5.976.453 offenbart. Faseriges Material 18 kann lose, diskontinuierliche Glasfasern enthalten, zum Beispiel E-Glasfasern oder Keramikfasern, die manuell oder mechanisch in die Schale 12 eingeführt werden.
Es ist auch möglich, das faserige Material 18 in Taschen zu füllen, die aus Kunststofffolien oder Glas oder Maschen aus organischem Material bestehen, und dann in die Schalenteile 12a und 12b zu legen, siehe zum Beispiel das US-Patent Nr. 6.068.082 und das US-Patent Nr. 6.607.052 „MUFFLER SHELL FILLING PROCESS AND MUFFLER FILLED WITH FIBROUS MATERIAL". Es ist zudem möglich, das faserige Material 18 durch einen der Prozesse in die Außenschale 12 einzuführen, die offenbart werden in: US-Patent Nr. 6.446.750 mit dem Titel „PROCESS FOR FILLING A MUFFLER SHELL WITH FIBROUS MATERIAL"; US-Patent Nr. 6.412.596 mit dem Titel „PROCESS FOR FILLING A MUFFLER AND MUFFLER FILLED WITH FIBROUS MATERIAL"; und US-Patent Nr. 6.581.723 mit dem Titel „MUFFLER SHELL FILLING PROCESS, MUFFLER FILLED WITH FIBROUS MATERIAL AND VACUUM FILLING DEVICE".
Es ist ferner möglich, eine oder mehrere kontinuierliche Glasfilamentstränge so durch Druckluft in Öffnungen (nicht gezeigt) in der Außenschale 12 einzuführen, nachdem die Schalenteile 12a und 12b verbunden worden sind, dass die Fasern sich voneinander trennen und sich im Inneren der Außenschale 12 ausdehnen, um in der Außenschale 12 ein „aufgeplustertes" oder wollartiges Produkt zu ergeben. Prozesse und Vorrichtungen zum Texturieren von Glasstrangmaterial, das in eine Schalldämpferschale eingeführt wird, werden in den US-Patenten Nr. 4.569.471 und 5.976.453 beschrieben. Ferner ist es möglich, das faserige Material 18 in Form von Matten aus kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Fasern in den Schalldämpfer einzuführen. Nadelfilzmatten aus diskontinuierlichen Glasfasern können als Vorformling in den Schalldämpfer eingeführt werden oder in ein perforiertes Rohr eingerollt werden, das dann in den Schalldämpfer eingeführt wird.
Schallenergie wird durch das perforierte Rohr 14 zum faserigen Material 18 geleitet, das wirkt, um die Schallenergie zu absorbieren. Das faserige Material 18 wirkt auch als Wärmeschutz oder Isolierung der Außenschale 12 vor Energie in Form von Wärme, die durch die Hochtemperaturabgase übertragen wird, die durch das Rohr 14 strömen.
Wie oben erwähnt, kann die Übertragungsdämpfung eines mit Absorptionsmaterial 18 gefüllten Schalldämpfers oder Auspufftopfs 10 in bestimmten Frequenzbereichen verbessert werden, indem in der Innenkammer 13a des Schalldämpfers ein Ablenkblech oder eine Platte 15 angeordnet wird, um die Innenkammer 13a des Schalldämpfers in zwei Absorptionskammern 13b und 13c aufzuteilen. Die modellierten Übertragungsdämpfungsdaten (dB) sind in 2A für einen Schalldämpfer 10 mit einem einzigen Ablenkblech mit den folgenden Abmessungen dargestellt: eine Schalenlänge L gleich 60 cm; ein Außenschalendurchmesser D_s gleich 20,32 cm; ein perforiertes Rohr 14 mit einem Innendurchmesser D_p gleich 5,08 cm; Perforationen im Rohr 14 mit einem Durchmesser von je 0,25 cm; eine Gesamtporosität im perforierten Rohr 14, das heißt, perforierte Fläche/perforierte und nicht perforierte Rohrfläche × 100 gleich 25 und eine Absorptionsmaterial-Fülldichte von 100 Gramm/Liter, und war wie in 5 gezeigt konfiguriert.
Die Übertragungsdämpfung ist ein Maß, in dB, der Menge an Schallenergie, die gedämpft wird, wenn eine Schallwelle einen Schalldämpfer durchläuft. Mit anderen Worten, die Übertragungsdämpfung bei einer gegebenen Frequenz ist gleich einem Schallpegel (dB) bei dieser Frequenz, wenn keine Dämpfung über einen Schalldämpfer aufgetreten ist, oder andernfalls minus einen Schallpegel (dB) bei der gleichen Frequenz, wenn eine Dämpfung wie durch einen Schalldämpfer aufgetreten ist. Wenn ein Ablenkblech 15 in der Innenkammer 13a vorgesehen ist, wie in 2A gezeigt, wird die Übertragungsdämpfung oder die gedämpfte Schallenergie bei Frequenzen, die im Bereich von etwa 150 Hz bis etwa 1900 Hz liegen, im Vergleich zur Übertragungsdämpfung, die bei denselben Frequenzen auftritt, wenn ein Auspufftopf der gleichen Größe, aber ohne Ablenkblech 15 benutzt wird, erhöht. Demnach kann durch Aufteilen der Innenkammer 13a in erste und zweite Absorptionskammern 13b und 13c durch das Ablenkblech 15 eine Abnahme im Schallpegel, das heißt, eine Zunahme in der Schallenergiedämpfung bei mittleren und hohen Frequenzen erreicht werden. Zusätzlich ist es möglich, mehr als ein Ablenkblech 15 vorzusehen, um die Innenkammer 13 in drei oder mehr Innenkammern (nicht gezeigt) zu unterteilen.
Die tatsächlich gemessenen Übertragungsdämpfungsdaten (dB) sind in 2B für Auspufftöpfe mit 0, 1 oder 2 Ablenkblechen dargestellt. Wenn ein Ablenkblech 15 vorgesehen ist, war die Innenkammer 13 des Schalldämpfers in zwei Kammern im Wesentlichen gleichen Volumens unterteilt, und wenn drei Ablenkbleche vorgesehen waren, war die Innenkammer des Schalldämpfers in drei Kammern im Wesentlichen gleichen Volumens unterteilt. Jeder Auspufftopf hatte die folgenden Abmessungen: eine Schalenlänge L gleich 50,8 cm; einen Außenschalendurchmesser D_s gleich 16,4 cm; ein perforiertes Rohr 14 mit einem Innendurchmesser D_p gleich 5 cm; Perforationen im Rohr 14 mit einem Durchmesser von je 5 mm; eine Gesamtporosität im perforierten Rohr 14, das heißt, perforierte Fläche/nicht perforierte Rohrfläche × 100 gleich 8 %; und eine Absorptionsmaterial-Fülldichte von 100 Gramm/Liter, und war wie in 1A gezeigt konfiguriert.
Wenn ein Ablenkblech 15 in der Innenkammer 13a vorgesehen ist, wie aus 2B hervorgeht, wird die Übertragungsdämpfung oder die gedämpfte Schallenergie bei Frequenzen, die im Bereich von etwa 150 Hz bis etwa 1900 Hz liegen, im Vergleich zur Übertragungsdämpfung, die bei diesen gleichen Frequenzen auftritt, wenn ein Auspufftopf derselben Größe, aber ohne Ablenkblech 15 benutzt wird, erhöht. Demnach wird durch Aufteilen der Schalldämpfer-Innenkammer in zwei oder drei Kammern durch ein oder zwei Ablenkblech(e) eine Abnahme im Schallpegel, das heißt, eine Zunahme in der Schallenergiedämpfung bei mittleren und hohen Frequenzen erreicht.
3 zeigt auf schematische Weise einen Auspufftopf 50 mit einer starren Außenschale 52, die aus einem Metall, einem Harz oder einem Verbundwerkstoff geformt ist, der zum Beispiel Verstärkungsfasern und ein Harzmaterial enthält. Beispiele geeigneter Außenschalen-Verbundwerkstoffe werden im US-Patent Nr. 6.668.972 mit dem Titel „Bumper/Muffler Assembly" beschrieben. Der Auspufftopf 50 ist mit einem unperforierten Auspuffrohr 60 verbunden.
Der Auspufftopf 50 schließt einen Helmholtzschen Resonator 54 ein, umfassend einen Halsabschnitt 54a, der einen Innendurchmesser D_T und eine Länge L_T aufweist, und einen Kammerabschnitt 54b, der einen Innendurchmesser D_C und eine Länge L_C aufweist.
Typischerweise ist die Spitzendämpfungsfrequenz der Schallenergie, das heißt, die Frequenz, bei der die größte Übertragungsdämpfung auftritt, eine Funktion des Volumens des Kammerabschnitts 54b des Helmholtzschen Resonators 54 und des Innendurchmessers D_T und der Länge L_T des Halsabschnitts. Wenn zum Beispiel das Kammervolumen größer wird und der Innendurchmesser D_T und der Länge L_T des Halsabschnitts gleich bleiben, nimmt die Spitzendämpfungsfrequenz ab, und wenn das Kammervolumen kleiner wird, nimmt die Spitzendämpfungsfrequenz zu.
Die Spitzendämpfungsfrequenz wird gesenkt, ohne das Volumen des Kammerabschnitts 54b zu vergrößern, indem ein oder mehrere Innenwände des Kammerabschnitts 54b mit einem schallabsorbierenden Material 70 ausgekleidet werden. In der Ausführungsform, die in 3 gezeigt wird, sind erste und zweite Innenwände 55a und 55b des Kammerabschnitts 54b mit faserigem Material 70a ausgekleidet. Eine dritte Wand 55c ist unausgekleidet. Alternativ dazu kann jede beliebige Innenwand oder können mehrere der Innenwände 55a-55c ausgekleidet sein.
Das faserige Material 70a kann aus einen oder mehreren kontinuierlichen Glasfilamentsträngen bestehen, wobei jeder Strang eine Vielzahl von Filamenten umfasst, die durch Druckluft so getrennt oder texturiert werden, dass sie in der Außenschale 12 ein loses wollartiges Produkt ergeben, siehe die US-Patente Nr. 5.976.453 und 4.569.471 . Die Filamente können zum Beispiel aus E-Glas, S2-Glas oder anderen Glaszusammensetzungen bestehen. Das kontinuierliche Strangmaterial kann ein E-Glasroving umfassen, das von Owens Corning unter dem Warenzeichen ADVANTEX^® angeboten wird, oder ein S2-Glasroving, das von Owens Corning unter dem Warenzeichen ZenTron^® angeboten wird.
Es ist auch möglich, statt des Glasfasermaterials ein kontinuierliches oder diskontinuierliches Keramikfasermaterial zu verwenden, um die Wände 55a-55b des Kammerabschnitts 54b auszukleiden. Das faserige Material 70a kann auch lose diskontinuierliche Glasfasern umfassen, zum Beispiel E-Glasfasern oder Keramikfasern oder ein diskontinuierliches Glasfaserprodukt, das durch einen Steinwolle-Prozess oder einen Spinnprozess erzeugt wird, ähnlich denen, die z. B. zur Herstellung von Glasfaser-Wärmeisolierungen für Wohn- und Gewerbeanwendungen verwendet werden, oder einer Glasmatte. 3 veranschaulicht auf schematische Weise einen Schalldämpfer 50, umfassend eine starre Außenschale 52, einen Helmholtzschen Resonator 54 mit einem Halsabschnitt 54a, der einen Innendurchmesser D_T und eine Länge L_T aufweist, und einem Kammerabschnitt 54b, der einen Innendurchmesser D_C und eine Länge L_C aufweist.
Wenn der Helmholtzsche Resonator 54 als ein Seitenzweig vorgesehen ist, wie in 3A gezeigt, und faseriges Material enthält oder damit ausgekleidet ist, wie in BEISPIEL I erläutert, wurde die Übertragungsdämpfung/Frequenz-Kurve wesentlich erweitert, um eine bessere Dämpfung in einem größeren Frequenzbereich zu gewährleisten.
BEISPIEL I
Wie in 3A gezeigt, war der Auspufftopf 50 mit einer starren Außenschale 52 versehen, die aus Polyvinylchlorid (PVC) geformt war. Der Auspufftopf 50 umfasste einen Helmholtzschen Resonator 54, der einen Halsabschnitt 54a mit einem Durchmesser D_T = 4 cm und einer Länge LT = 8,5 cm und einen Kammerabschnitt 54b mit einem Innendurchmesser D_C = 15,24 cm und einer Länge L_C = 20,32 cm aufwies. Bei einem ersten Versuch war keine Innenwand des Innenkammerabschnitts 54b mit faserigem Material 70a ausgekleidet. Bei einem zweiten Versuch waren die ersten und zweiten Wände 55a-55b bei einer Fülldichte von etwa 100 Gramm/Liter mit etwa 1 Zoll (2,54 Zentimeter) des faserigen Materials 70a ausgekleidet. Bei einem dritten Versuch waren die ersten und zweiten Wände 55a-55b bei einer Fülldichte von etwa 100 Gramm/Liter mit etwa 2 Zoll (5,08 Zentimeter) des faserigen Materials 70a ausgekleidet. Bei einem vierten Versuch war der gesamte Kammerabschnitt 54b bei einer Fülldichte von etwa 100 Gramm/Liter mit faserigem Material 70a ausgekleidet. Bei einem fünften Versuch waren die ersten und zweiten Wände 55a-55b bei einer Fülldichte von etwa 63 Gramm/Liter mit etwa 1 Zoll (2,54 Zentimeter) des faserigen Materials 70a ausgekleidet. Bei den Versuchen 2-5 enthielt das faserige Material 70a texturierte Glasfilamente, die unter der Produktbezeichnung ADVANTEX^® 162A von Owens Corning angeboten werden. Bei den Versuchen 2, 3 und 5 war das faserige Material 70a durch ein Drahtgitter mit einer offenen Fläche oder Porosität von 75 an den Innenwänden 55a-55b befestigt.
4 veranschaulicht die Übertragungsdämpfung gegenüber der Frequenz bei Umgebungstemperaturen für jeden der fünf Versuche, die durchgeführt wurden. Wie aus 4 hervorgeht, trat beim ersten Versuch, wo keine Füllung im Kammerabschnitt 54b vorgesehen war, bei etwa 97 Hz die Spitzenfrequenzdämpfung auf. Die Übertragungsdämpfung bei 97 Hz betrug etwa 39 dB. Die Halbhöhenfrequenzdämpfungspunkte auf dieser Kurve traten bei Frequenzen von 89 Hz und 106 Hz auf. Die Übertragungsdämpfung bei 89 Hz und 106 Hz betrug etwa 20 dB.
Beim zweiten Versuch, bei dem die ersten und zweiten Wände 55a-55b bei einer Fülldichte von etwa 100 Gramm/Liter mit etwa 1 Zoll (2,54 Zentimeter) des faserigen Materials 70a ausgekleidet waren, trat die Spitzenfrequenzdämpfung bei etwa 90 Hz auf. Die Übertragungsdämpfung bei 90 Hz betrug etwa 30 dB. Die Halbhöhenfrequenzdämpfungspunkte auf der zweiten Testkurve lagen bei Frequenzen von 75 Hz und 108 Hz. Die Übertragungsdämpfung bei 75 Hz und 108 Hz betrug etwa 15 dB.
Beim dritten Versuch, bei dem die ersten und zweiten Wände 55a-55b bei einer Fülldichte von etwa 100 Gramm/Liter mit etwa 2 Zoll (5,08 Zentimeter) des faserigen Materials 70a ausgekleidet waren, trat die Spitzenfrequenzdämpfung bei etwa 81 Hz auf. Die Übertragungsdämpfung bei 81 Hz betrug etwa 22 dB. Die Halbhöhenfrequenzdämpfungspunkte auf der dritten Testkurve lagen bei Frequenzen von 58 Hz und 117 Hz. Die Übertragungsdämpfung bei 58 Hz und 117 Hz betrug etwa 11 dB.
Beim vierten Versuch, bei dem der gesamte Kammerabschnitt 54b mit bei einer Fülldichte von etwa 100 Gramm/Liter mit faserigem Material 70a ausgekleidet war, trat die Spitzenfrequenzdämpfung bei etwa 74 Hz auf. Die Übertragungsdämpfung bei 74 Hz betrug etwa 12 dB. Die Übertragungsdämpfungskurve wies im Wesentlichen eine flache Form auf.
Beim fünften Versuch, bei dem die ersten und zweiten Wände 55a-55b bei einer Fülldichte von etwa 63 Gramm/Liter mit etwa 1 Zoll (2,54 Zentimeter) des faserigen Materials 70a ausgekleidet waren, trat die Spitzenfrequenzdämpfung bei etwa 91 Hz auf. Die Übertragungsdämpfung bei 91 Hz betrug etwa 30 dB. Die Halbhöhenfrequenzdämpfungspunkte auf der fünften Testkurve lagen bei Frequenzen von 75 Hz und 113 Hz. Die Übertragungsdämpfung bei 75 Hz und 113 Hz betrug etwa 15 dB.
Bei jedem der Versuche 2, 3 und 5, wo die Wände 55a-55b des Kammerabschnitts 54b mit dem faserigen Material 70a ausgekleidet waren, wurde die Frequenz, bei welcher die Spitzenschallenergieabsorption auftrat, gesenkt, und der Frequenzbereich, bei dem eine Übertragungsdämpfung auftrat, die etwa der Hälfte des bei der Spitzendämpfungsfrequenz auftretenden entsprach, wurde erweitert. Demnach wurde durch Auskleiden der Wände 55a-55b des Kammerabschnitts 54b mit faserigem Material 70a ein breiterer Halbhöhendämpfungsbereich gewährleistet (das heißt, ein Frequenzbereich zwischen Endpunkten, die auf der Übertragungsdämpfungskurve liegen, wo eine Übertragungsdämpfung auftrat, die etwa der Hälfte von der entspricht, die bei der Spitzendämpfungsfrequenz auftrat). Es wurde festgestellt, dass die Spitzenabsorptions- oder -dämpfungsfrequenz sich typischerweise bei Temperaturänderungen verschob. Es wurde auch festgestellt, dass die zu dämpfende Spitzengeräuschfrequenz sich typischerweise mit der Maschinendrehzahl U/Min verschob. Ein Auspufftopf oder Schalldämpfer mit einem engen Halbhöhendämpfungsbereich als inakzeptabel empfunden werden, da die Spitzengeräuschfrequenz sich während des Betriebs des Fahrzeugs, das heißt, wenn die Drehzahl variiert, außerhalb des Dämpfungsbereichs verschieben kann. Weil durch einen Aspekt der vorliegenden Erfindung ein breiterer Halbhöhendämpfungsbereich gewährleistet wird, ist es wahrscheinlicher, dass die Dämpfung, die vom Auspufftopf 50 während des Betriebs eines Fahrzeugs durchgeführt wird, das heißt, wenn die Maschinendrehzahl variiert, und sekundär, wenn die Temperatur des Schalldämpfers variiert, als akzeptabel empfunden wird. Im Hinblick auf die Versuche 2, 3 und 5 wurde zudem festgestellt, dass die Frequenz der Spitzen dämpfung gesenkt wurde, ohne die Abmessungen des Kammerabschnitts 54b oder des Halsabschnitts 54a zu vergrößern.
Es wurde auch festgestellt, dass durch Auskleiden der Wände 55a-55b des Kammerabschnitts 54b mit faserigem Material 70a die Wärmeübertragung zu den Wänden 55a-55b reduziert wurde, wodurch die Außenschale 52 des Auspufftopfs kühler bleiben kann. Daher kann die Außenschale aus einem Material geformt werden, das eine niedrigere Wärmebeständigkeitsschwelle aufweist, wie z. B. ein Verbundwerkstoff.
5 veranschaulicht einen Auspufftopf oder Schalldämpfer 500 im Querschnitt und wird als Beispiel zum besseren Verständnis der Erfindung gegeben. Der Schalldämpfer 500 umfasst einen Hybridschalldämpfer mit einer dissipativen Schalldämpferkomponente 510 und einer reaktiven Komponente 520, das heißt, einem Helmholtzschen Resonator. Der Schalldämpfer 500 umfasst ferner eine Verbindungskomponente 530, um die dissipative Schalldämpferkomponente 510 mit der Helmholtzschen Resonatorkomponente 520 zu verbinden oder daran anzuschließen. Die dissipative Schalldämpferkomponente 510 umfasst schallabsorbierendes Material 512 wie z. B. faseriges Material 512a und entfaltet bei Frequenzen über etwa 150 Hz eine wünschenswerte Breitbandgeräuschdämpfung. Die Helmholtzsche Resonatorkomponente 520 entfaltet bei niedrigen Frequenzen eine wünschenswerte Geräuschdämpfung, zum Beispiel von etwa 50 bis etwa 120 Hz bei 25 °C, was für Brennkraftmaschinengeräusche bei niedriger Drehzahl sowie luftübertragene Geräusche niedriger Ordnung typisch ist. Dadurch ist der Schalldämpfer 500 über einen breiten Frequenzbereich hinweg ein effektiver Schalldämpfer.
Der Schalldämpfer 500 umfasst eine starre Außenschale 502, die aus einem Metall, einem Harz oder einem Verbundwerkstoff geformt ist, der zum Beispiel Verstärkungsfasern und ein Harzmaterial enthält. Beispiele für Außenschalen-Verbundwerkstoffe werden im US-Patent Nr. 6.668.972 mit dem Titel „Bumper/Muffler Assembly" beschrieben. Die Außenschale 502 in der dargestellten Ausführungsform weist eine im Wesentlichen ovale Form auf. Die Außenschale 502 kann jede andere geometrische Form haben, solange die zum Erreichen der gewünschten Dämpfung erforderlichen Volumen für die dissipative Schalldämpferkomponente 510 und die Helmholtzsche Resonatorkomponente 520 beibehalten werden.
Ein Rohr, typischerweise ohne Knick, wie z. B. das im Wesentlichen gerade Rohr 600, das in 5 gezeigt wird, ist mit der starren Außenschale 502 verbunden und erstreckt sich durch die gesamte Länge der Außenschale 502. Ein Rohr ohne Knick kann Rohre mit einem leichten Knick oder Winkel, ein s-förmiges Rohr usw. umfassen. Konventionelle Auspuffrohre, die nicht dargestellt sind, können mit den äußeren Enden des Rohrs 600 verbunden werden. Da das Rohr 600 ohne Knick geformt ist, werden Gegendruck- und Strömungsverluste durch den Schalldämpfer 500 reduziert. Das Rohr 600 ist bevorzugt in einem ausreichenden Abstand von der Innenwand 502a der Außenschale 502 beabstandet, damit eine ausreichende Menge faserigen Materials 512 zwischen dem Rohr 600 und der Schaleninnenwand 502a angeordnet werden kann, um eine ausreichende Wärme- und Schallisolierung der Außenschale 502 zu ermöglichen und die Interferenz, durch die Außenschale 502, mit der Schalldämpfung durch die dissipative Komponente 510 zu vermeiden.
Ein erster Abschnitt 602 des Rohrs 600, der unperforiert ist, verläuft durch einen Hohlraum 522 der Helmholtzschen Resonatorkomponente 520. Ein zweiter Abschnitt 604 des Rohrs 600 ist perforiert und Bestandteil der dissipativen Schalldämpferkomponente 510. Ein dritter Abschnitt 606 des Rohrs 600 ist ebenfalls perforiert und ist Bestandteil der Verbindungskomponente 530, die, wie oben erwähnt, die dissipative Komponente 510 mit der reaktiven Komponente 520 verbindet. Der zweite Abschnitt 604 des Rohrs 600 ist so perforiert, dass er eine Porosität, das heißt, einen Pro zentsatz von offener Fläche zu geschlossener Fläche, von etwa 5 % bis etwa 60 % aufweist. Der dritte Abschnitt 606 des Rohrs 600 ist so perforiert, dass er eine Porosität von etwa 20 % bis etwa 100 % hat.
In der dargestellten Ausführungsform umfasst die dissipative Schalldämpferkomponente 510 einen im Wesentlichen ovalen Hohlraum 510a, der eine Länge L2, eine Höhe L5 und eine Breite L4 aufweist, siehe 5 und 5A. Der Rohrabschnitt 604 erstreckt sich durch den Hohlraum 510a und ist Bestandteil der dissipativen Schalldämpferkomponente 510. Auch das Rohr 524, das einen Halsabschnitt 524a der Helmholtzschen Resonatorkomponente 520 formt, verläuft durch den Hohlraum 510a, ist aber nicht Bestandteil der dissipativen Schalldämpferkomponente 510.
Die dissipative Schalldämpferkomponente 510 umfasst ferner faseriges Material 512a. Das faserige Material 512a kann aus einem oder mehreren kontinuierlichen Glasfilamentsträngen bestehen, wobei jeder Strang eine Vielzahl von Filamenten umfasst, die durch Druckluft so getrennt oder texturiert werden, dass sie ein loses wollartiges Produkt ergeben, siehe die US-Patente Nr. 5.976.453 und 4.569.471 . Die Filamente können zum Beispiel aus E-Glas, S2-Glas oder anderen Glaszusammensetzungen bestehen. Das kontinuierliche Strangmaterial kann ein E-Glasroving wie z. B. ein borarmes, fluorarmes Hochtemperaturglas umfassen, das von Owens Corning unter dem Warenzeichen ADVANTEX^® angeboten wird, oder ein S2-Glasroving, das von Owens Corning unter dem Warenzeichen ZenTron^® angeboten wird.
Es ist auch möglich, anstelle des Glasfasermaterials ein kontinuierliches oder diskontinuierliches Keramikfasermaterial zum Füllen des Hohlraums 510a zu verwenden. Das faserige Material 512a kann auch lose diskontinuierliche Glasfasern umfassen, zum Beispiel E-Glasfasern oder Keramikfasern, oder ein diskontinuierliches Glasfaser- Produkt, das durch einen Steinwolle-Prozess oder einen Spinnprozess erzeugt wird, wie z. B. jene, die verwendet werden, um Glasfaser-Wärmeisolierungen für Wohn- und Gewerbeanwendungen herzustellen, oder eine Glasmatte.
Endplatten 514a und 514b, die jede eine erste Öffnung 514c mit einem Durchmesser D2 und eine zweite Öffnung 514d mit einem Durchmesser D1 aufweisen, sind vorgesehen, um das faserige Material 512a im Hohlraum 510a zurückzuhalten. Die Endplatten 514a und 514b sind mit der Außenschale 502 verbunden und oval geformt. Die Endplatten 514a und 514b können ein oder mehr zusätzliche Löcher aufweisen, um das Füllen des Hohlraums 510a mit faserigem Material zu erleichtern.
Die Helmholtzsche Resonatorkomponente 520 umfasst den Hohlraumabschnitt 522 und den Halsabschnitt 524a. Der Hohlraumabschnitt 522 weist eine im Querschnitt im Wesentlichen ovale Form, eine Länge L1, eine Höhe L5 und eine Breite L4 auf, siehe 5 und 5A. Der Rohrabschnitt 602 erstreckt sich durch den Hohlraumabschnitt 522 und ist nicht Bestandteil der Helmholtzschen Resonatorkomponente 520. Der Halsabschnitt 524a wird durch das Rohr 524 definiert, das eine Querschnittsfläche A_n, einen Durchmesser D2 und eine Länge L2 aufweist.
Die Verbindungskomponente 530 umfasst einen im Wesentlichen ovalen Hohlraum 530a mit einer Länge L3, einer Höhe L5 und einer Breite L4, siehe 5A. Der dritte Rohrabschnitt 606 erstreckt sich durch den Hohlraum 530a und ist Bestandteil der Verbindungskomponente 530. Es wird bevorzugt, dass die Länge L3 möglichst kurz ist, zum Beispiel etwa 1 cm bis etwa 10 cm, da eine kurze Länge L3 typischerweise einer Spitzendämpfungsfrequenz bei einer niedrigeren Frequenz entspricht. Es wird ferner bevorzugt, dass der dritte Abschnitt 606 des Rohrs 600 so perforiert ist, dass er eine hohe Porosität aufweist, das heißt, einen Prozentsatz von offener Fläche zu geschlossener Fläche von etwa 20 % bis etwa 100 %.
6 stellt einen Auspufftopf oder Schalldämpfer 700 im Querschnitt dar und wird als Beispiel zum besseren Verständnis der Erfindung gegeben. Der Schalldämpfer 700 umfasst einen Hybridschalldämpfer mit einer dissipativen Schalldämpferkomponente 710 und einer reaktiven Komponente 720, das heißt, einem Helmholtzschen Resonator. Der Schalldämpfer 700 umfasst zudem eine Verbindungskomponente 730, um die dissipative Schalldämpferkomponente 710 mit der Helmholtzschen Resonatorkomponente 720 zu verbinden. Die dissipative Schalldämpferkomponente 710 umfasst schallabsorbierendes Material 512 wie z. B. faseriges Material 512a und entfaltet bei Frequenzen über etwa 150 Hz eine erwünschte Breitbandgeräuschdämpfung. Die Helmholtzsche Resonatorkomponente 720 entfaltet bei niedrigen Frequenzen eine wünschenswerte Geräuschdämpfung, zum Beispiel von 50 bis etwa 120 Hz bei 25 °C, was für Brennkraftmaschinengeräusche bei niedriger Drehzahl sowie luftübertragene Geräusche niedriger Ordnung typisch ist. Dadurch ist der Schalldämpfer 700 über einen breiten Frequenzbereich hinweg ein effektiver Schalldämpfer.
Der Schalldämpfer 700 umfasst eine starre Außenschale 702, die aus einem Metall, einem Harz oder einem Verbundwerkstoff geformt ist, der zum Beispiel Verstärkungsfasern und ein Harzmaterial enthält. Beispiele für Außenschalen-Verbundwerkstoffe werden im US-Patent Nr. 6.668.972 mit dem Titel „Bumper/Muffler Assembly" beschrieben. Die Außenschale 702 in der dargestellten Ausführungsform weist eine im Wesentlichen zylindrische Form auf. Die Außenschale 702 kann jede andere geometrische Form haben, solange die zum Erreichen der gewünschten Dämpfung erforderlichen Volumen für die dissipative Schalldämpferkomponente 710 und die Helmholtzsche Resonatorkomponente 720 beibehalten werden.
Ein im Wesentlichen gerades Rohr 800 ist mit der Außenschale 702 verbunden und erstreckt sich durch die ganze Länge der Außenschale 702. Konventionelle Auspuffrohre, die nicht gezeigt werden, können mit den äußeren Enden des Rohrs 800 verbunden sein. Da das Rohr 800 ohne Knick geformt ist, werden Gegendruck- und Strömungsverluste durch den Schalldämpfer 700 reduziert.
Ein erster Abschnitt 802 des Rohrs 800, der unperforiert ist, verläuft durch einen Hohlraum 722 der Helmholtzschen Resonatorkomponente 720. Ein zweiter Abschnitt 804 des Rohrs 800 ist perforiert und Bestandteil der dissipativen Schalldämpferkomponente 710. Ein dritter Abschnitt 806 des Rohrs 800 ist ebenfalls perforiert und ist Bestandteil der Verbindungskomponente 730, die, wie oben erwähnt, die dissipative Komponente 710 mit der reaktiven Komponente 720 verbindet. Der zweite Abschnitt 804 des Rohrs 800 ist so perforiert, dass er eine Porosität, das heißt, einen Prozentsatz von offener Fläche zu geschlossener Fläche von etwa 5 % bis etwa 60 % aufweist. Der dritte Abschnitt 806 des Rohrs 800 ist so perforiert, dass er eine Porosität von etwa 20 % bis etwa 100 % aufweist.
In der dargestellten Ausführungsform umfasst die dissipative Schalldämpferkomponente 710 einen im Wesentlichen zylindrischen Hohlraum 710a, der zwischen einem inneren, im Wesentlichen geraden, unperforierten Rohr 711 und dem Rohr 800 geformt ist. Der Hohlraum 710a weist einen Außendurchmesser D3, einen Innendurchmesser D1 und eine Länge L2 auf, siehe 6 und 6A. Der Rohrabschnitt 804 erstreckt sich durch den Hohlraum 710a und ist Bestandteil der dissipativen Schalldämpferkomponente 710. Die dissipative Schalldämpferkomponente 710 umfasst außerdem faseriges Material 512a, wie oben in Bezug auf die in 5 und 5A dargestellten Ausführungsformen beschrieben.
Endplatten 714a und 714b, die jede eine erste Öffnung 714c mit einem Durchmesser D1 aufweisen, sind vorgesehen, um das faserige Material 512a im Hohlraum 710a zurückzuhalten. Die Endplatten 714a und 714b können an das Rohr 800 geschweißt oder auf sonstige Weise damit verbunden sein. Ferner können Widerlager (nicht dargestellt) von den Platten 714a und 714b verlaufen und mit der Außenschale 702 verbunden sein. Die Endplatten 714a und 714b können ein oder mehrere zusätzliche Löcher aufweisen, um das Füllen des Hohlraums 710a mit faserigem Material zu erleichtern.
Die Helmholtzsche Resonatorkomponente 720 umfasst den Hohlraumabschnitt 722 und den Halsabschnitt 724a. Der Hohlraum 722 weist eine im Querschnitt im Wesentlichen zylindrische Form, eine Länge L1, einen Außendurchmesser D2 und einen Innendurchmesser D1 auf. Der Rohrabschnitt 802 erstreckt sich durch den Hohlraumabschnitt 722 und ist nicht Bestandteil der Helmholtzschen Resonatorkomponente 720. Der Halsabschnitt 724a definiert einen hohlen, ringförmigen Hohlraum 724b mit einer Länge L2, einem Außendurchmesser D2 und einem Innendurchmesser D3, siehe 6 und 6A.
Die Verbindungskomponente 730 weist einen im Wesentlichen zylindrischen Hohlraum 730a mit einer Länge L3, einem Außendurchmesser D2 und einem Innendurchmesser D1 auf, siehe 6 und 6A. Der Rohrabschnitt 806 verläuft durch den Hohlraum 730a und ist Bestandteil der Verbindungskomponente 730. Es wird bevorzugt, dass die Länge L3 so kurz wie möglich ist, zum Beispiel etwa 1 cm bis etwa 10 cm, da eine kurze Länge L3 typischerweise einer Spitzendämpfungsfrequenz bei einer niedrigeren Frequenz entspricht. Es wird zudem bevorzugt, dass der dritte Abschnitt 806 des Rohrs 800 so perforiert ist, dass er eine hohe Porosität aufweist, das heißt, einen Prozentsatz von offener Fläche zu geschlossener Fläche von etwa 20 bis etwa 100 Bei einer einfachen Geometrie der dissipativen Schalldämpferkomponente, wie beim zylindrischen Hohlraum 710a, der in 6 und 6A gezeigt wird, und niedrigen Frequenzen kann ein eindimensionales Analyseverfahren angewandt werden, um das akustische Verhalten der dissipativen Schalldämpferkomponente 710 vorherzusagen, wie nun beschrieben wird. Bei harmonischer ebener Wellenausbreitung sowohl im Rohrabschnitt 804 als auch im zylindrischen Hohlraum 710a in 6 und 6A ergeben die Kontinuitäts- und Momentgleichungen in Abwesenheit einer axialen Durchströmung
wobei p₀ und k jeweils die Dichte und die Wellenzahl in der Luft, und p^~ und k^~ die komplexe dynamische Dichte und Wellenzahl im Absorptionsmaterial, und ζ^~ _p die dimensionslose akustische Impedanz der Perforation bezeichnen. In Anbetracht des Entkopplungsansatzes und der starren Grenzbedingungen (u = 0) an der Wand des zylindrischen Hohlraums 710a können der Schalldruck (p) und die Partikelgeschwindigkeit (u) am Einlass (x = 0) und Auslass (x = L2) des Rohrabschnitts 804 der dissipativen Schalldämpferkomponente durch die folgende Gleichung (4) miteinander in Beziehung gebracht werden:
was die Transfermatrixelemente definiert, T_ij (c₀ = Schallgeschwindigkeit). Bei einem Rohrabschnitt 804 mit einer konstanten Querschnittsfläche kann die Übertragungsdämpfung anhand der Transfermatrix wie folgt berechnet werden:
Die Perforationsimpedanz ζ^~ _p bringt die Schalldrucke an der Grenzfläche im Rohrabschnitt 804 und im zylindrischen Hohlraum 710a miteinander in Beziehung. Die halbempirische akustische Impedanz der Perforation, die dem absorbierenden faserigen Material 512a gegenüberliegt, kann in Form der Lochgeometrie und der akustischen Eigenschaften des faserigen Materials 512a ausgedrückt werden, wie
wobei t_w die Dicke der Wand des Rohrabschnitts 804, d_h der Perforationslochdurchmesser, ⎕ die Porosität des Rohrabschnitts 804, C₁ und C₂ Koeffizienten sind, die experimentell ermittelt wurden. Die akustischen Eigenschaften des Absorptionsmaterials können auch experimentell ermittelt werden und als eine Funktion der Frequenz (f) und des spezifischen Strömungswiderstands (R) ausgedrückt werden,
wobei die Koeffizienten C₃–C₆ und die Exponenten n₁–n₄ von den Eigenschaften des absorbierenden faserigen Materials 512 abhängig sind. Details dieser Analyse sind in der folgenden Veröffentlichung zu finden: A. Selamet, I.J. Lee, Z.L. Ji und N.T. Huff, „Acoustic attenuation performance of perforated absorbing silencers", SAE Noise and Vibration Conference and Exposition, 30. April – 3. Mai, SAE Paper No. 2001-01-1435, Traverse City, MI (USA).
Die Helmholtzschen Resonatorkomponenten 520 und 720 sind Schalldämpfervorrichtungen, die bei niedrigen Frequenzen effektiv sind. Jede weist eine Resonanz, das heißt Spitzendämpfungsfrequenz auf, die durch die Kombination seines Hohlraumabschnitts 522, 722 und Halsabschnitts 524a, 724a, ihrer Abmessungen und relativen Orientierungen vorgegeben wird. Die Resonanzfrequenz kann durch die klassische punktförmig verteilte Analyse genähert werden, die gegeben wird durch:
wobei c₀ die Schallgeschwindigkeit, A_n die Halsabschnitt-Querschnittsfläche, V_c das Hohlraumabschnittsvolumen, In die Halsabschnittslänge ist, siehe 5, 6 und 6A. Die niedrige Resonanzfrequenz, die für Schalldämpfungsanwendungen wie solche für Brennkraftmaschinen wünschenswert ist, kann demnach durch ein großes Hohlraumabschnittsvolumen (das den Längen L1, L4 und L5 und dem Durchmesser D1 in 5 oder der Länge L1 und den Durchmessern D1 und D2 in 6 entspricht) und einen langen Halsabschnitt (der hauptsächlich der Länge L2 und dem Durchmesser D2 in 5 oder der Länge L2 und den Durchmessern D2 und D3 in 6 entspricht) erreicht werden. Eine große Querschnittsfläche A_n (die der Länge L2 und dem Durchmesser D2 in 5 und dem Bereich entspricht, der zwischen den Durchmessern D2 und D3 in 6 definiert wird) ist ungünstig für eine niedrige Resonanzfrequenz; sie kann aber eine wünschenswert erweiterte Übertragungsdämpfung ergeben. Die Helmholtzschen Resonatorkomponenten 520 und 720 von 5 und 6 sind auf der Basis dieser Kriterien ausgelegt. Die spezifischen Abmessungen des Helmholtzschen Resonators 520, 720 werden durch die dominante Niederfrequenzquelle in der Anwendung vorgegeben, für welche die Dämpfung beabsichtigt ist. Die Vorentwürfe auf der Basis der obigen Gleichung können mithilfe mehrdimensionaler akustischer Vorhersagewerkzeuge wie z.B. die Grenzelementemethode verbessert und finalisiert werden, siehe A. Selamet, I.J. Lee, Z.L. Ji und N.T. Huff, „Acoustic attenuation performance of perforated absorbing silencers", SAE Noise and Vibration Conference and Exposition, 30. April – 3. Mai, SAE Paper No. 2001-01-1435, Traverse City, MI (USA).
BEISPIEL II
Ein Schalldämpfer war wie in 5 und 5A gezeigt aufgebaut und wies die folgenden Abmessungen auf: L1 = 9 cm; L2 = 48 cm; L3 = 3 cm, Perforationen ergaben eine Porosität von etwa 30 im dritten Abschnitt 606 des Rohrs 600; L4 = 17,8 cm; L5 = 22,9 cm; L6 = 1,9 cm; L7 = 5,7 cm; D1 = 5,1 cm; D2 = 8,9 cm. Der ovale Hohlraum 510a war bei einer Fülldichte von etwa 100 Gramm/Liter mit einem texturierte Glasfilamente enthaltenden faserigen Material 512a ausgekleidet, das von Owens Corning unter der Produktbezeichnung ADVANTEX^® 162A angeboten wird.
Die Testvorrichtung (nicht gezeigt) umfasste eine Schallenergiequelle, ein Eingangsrohr, das mit einem Einlass des Rohrs 600 verbunden war, und ein Ausgangsrohr, das mit dem Auslass des Rohrs 600 verbunden war. An den Eingangs- und Ausgangsrohren waren Mikrofone angeordnet, um die Schalldruckpegel an diesen Stellen für Frequenzen von etwa 20 Hz bis etwa 3200 zu messen. Die Schallübertragungsdämpfungen bei jeder Frequenz wurden anhand der von diesen Mikrofonen erzeugten Signale bestimmt. Versuche wurden mit allen Elementen bei Umgebungstemperatur durchgeführt.
Bei einem ersten Versuchslauf hatten die Eingangs- und Ausgangsrohre einen Durchmesser von etwa zwei Zoll, was etwa dem Durchmesser des Rohrs 600 entsprach. Bei einem zweiten Versuchslauf wiesen die Eingangs- und Ausgangsrohre einen Durchmesser von etwa drei Zoll auf. Zwischen den Eingangs- und Ausgangsrohren und den Einlass- und Auslassenden des Rohrs 600 waren Übergangsabschnitte von drei Zoll auf zwei Zoll vorgesehen.
7A und 7B zeigen Übertragungsdämpfung/Frequenz-Kurven für jeden der zwei Versuchsläufe. Der erste Versuchslauf wird als „Prototyp OC Final 2 in" bezeichnet. Der zweite Versuchslauf wird als „Prototyp OC Final 3 in" bezeichnet.
In 7A und 7B werden auch zwei Plots gezeigt, die einem konventionellen Dreiweg-Serienreflexionsschalldämpfer entsprechen, das heißt, der Schalldämpfer enthielt keinerlei faseriges Material und wies die gleichen Außenabmessungen wie die Prototypschalldämpfer auf. Der Serienschalldämpfer schloss ein perforiertes Dreizollrohr ein, das sich durch diesen erstreckte. Bei einem ersten Versuchslauf, der in 7A und 7B als „Production OC 2 in" bezeichnet wird, wiesen die Eingangs- und Ausgangsrohre der Testvorrichtung einen Durchmesser von etwa zwei Zoll auf. Zwischen den Eingangs- und Ausgangsrohren der Testvorrichtung und den Einlass- und Auslassenden des perforierten Rohrs waren Übergangsabschnitte von zwei Zoll (5,08 Zentimeter) auf drei Zoll (7,62 Zentimeter) vorgesehen. Bei einem zweiten Versuchslauf, der in 7A und 7B als „Production OC 3 in" bezeichnet wird, hatten die Eingangs- und Ausgangsrohre der Testvorrichtung einen Durchmesser von etwa drei Zoll (7,62 Zentimeter).
Wie aus 7A und 7B hervorgeht, wies der Versuchslauf „Prototype OC Final 2 in" eine Spitzendämpfungsfrequenz von etwa 92 Hz auf, bei der die Übertragungsdämpfung etwa 20 dB betrug. Bei Frequenzen von etwa 92 Hz bis etwa 150 Hz nahm die Übertragungsdämpfungskurve leicht ab, nicht mehr als etwa 3 dB. Über etwa 175 Hz hinaus blieb die Übertragungsdämpfungskurve über etwa 20 dB. Der Versuchslauf „Prototype OC Final 3 in" wies eine Spitzendämpfungsfrequenz von etwa 96 Hz auf, bei der die Übertragungsdämpfung etwa 22 dB betrug. Bei Frequenzen von etwa 92 Hz bis etwa 112 Hz nahm die Übertragungsdämpfungskurve leicht ab, nicht mehr als etwa 2 dB. Über etwa 140 Hz hinaus blieb die Übertragungsdämpfungskurve über etwa 22 dB. Demgegenüber ergaben beide Versuchsläufe beim konventionellen Serienschalldämpfer Übertragungsdämpfungskurven mit einem engen Frequenzbereich unter etwa 200 Hz, wo die Übertragungsdämpfungen 15 dB überstiegen.
BEISPIEL III
Ein Schalldämpfer war wie in 5 und 5A gezeigt aufgebaut und wies die folgenden Abmessungen auf: L1 = 12 cm; L2 = 45 cm; L3 = 3 cm, Perforationen ergaben eine Porosität von etwa 30 im dritten Abschnitt 606 des Rohrs 600; L4 = 17,8 cm; L5 = 22,9 cm; L6 = 1,9 cm; L7 = 5,04 cm; D1 = 5,08 cm; D2 = 8,9 cm. Der ovale Hohlraum 510a war bei einer Fülldichte von etwa 125 Gramm/Liter mit faserigem Material 512a ausgekleidet, das texturierte Glasfilamente enthielt, die von Owens Corning unter der Produktbezeichnung ADVANTEX^® 162A angeboten werden.
Die Testvorrichtung (nicht gezeigt) umfasste eine Schallenergiequelle, ein Eingangsrohr, das mit dem Einlass des Rohrs 600 verbunden war, und ein Ausgangsrohr, das mit dem Auslass des Rohrs 600 verbunden war. An den Eingangs- und Ausgangsrohren waren Mikrofone vorgesehen, um die Schalldruckpegel an diesen Stellen für Frequenzen von etwa 20 Hz bis etwa 3200 Hz zu messen. Die Schallübertragungsdämpfungen bei jeder Frequenz wurden anhand der Ausgaben dieser Mikrofone bestimmt. Versuche wurden mit allen Elementen bei Umgebungstemperatur durchgeführt.
8A und 8B zeigen Übertragungsdämpfung/Frequenz-Kurven für jeden der zwei Versuchsläufe mit dem ersten Schalldämpfer. Der erste Versuchslauf wird als „Prototype OSU" bezeichnet. Der zweite Versuchslauf wird als „Prototype OC" bezeichnet.
Bei den Versuchsläufen, die in 8A und 8B als „Prototype OSU" und „Prototype OC" bezeichnet werden, wiesen die Eingangs- und Ausgangsrohre einen Durchmesser von zwei Zoll auf, was etwa dem Durchmesser des Rohrs 600 entsprach.
In 8A und 8B werden auch zwei Plots gezeigt, die einem konventionellen Dreiweg-Serienreflexionsschalldämpfer entsprechen. Der Schalldämpfer enthielt keinerlei faseriges Material und wies die gleichen Außenabmessungen wie die Prototypschalldämpfer auf. Der Schalldämpfer schloss ein perforiertes Dreizollrohr ein, das sich durch diesen erstreckte. Bei den ersten und zweiten Versuchsläufen hatten die Eingangs- und Ausgangsrohre der Testvorrichtung einen Durchmesser von zwei Zoll (5,08 Zentimeter). Deshalb waren zwischen den Eingangs- und Ausgangsrohren der Testvorrichtung und den Einlass- und Auslassenden des perforierten Rohrs Übergangsabschnitte von zwei Zoll auf drei Zoll vorgesehen.
Wie aus 8A und 8B hervorgeht, wiesen die Versuchsläufe „Prototype OSU" und „Prototype OC" eine Spitzendämpfungsfrequenz von etwa 88 Hz auf, wo die Übertragungsdämpfung etwa 25 dB betrug. Bei Frequenzen größer oder gleich 70 Hz waren die Übertragungsdämpfungen größer oder gleich 15 dB. Demgegenüber ergaben beide Versuchsläufe des konventionellen Serienschalldämpfers Übertragungsdämpfungskurven mit einem engen Frequenzbereich unter etwa 200 Hz, wo die Übertragungsdämpfungen 15 dB überstiegen.
9 veranschaulicht einen Auspufftopf oder Schalldämpfer 900 im Querschnitt und wird als Beispiel zum besseren Ver ständnis der Erfindung gegeben. Der Schalldämpfer 900 umfasst einen Hybridschalldämpfer mit ersten und zweiten dissipativen Schalldämpferkomponenten 910a und 910b und einer reaktiven Komponente 920, das heißt, einem Helmholtzschen Resonator. Der Schalldämpfer 900 umfasst ferner eine Verbindungskomponente, die die dissipative Schalldämpferkomponenten 910a und 910b mit der Helmholtzschen Resonatorkomponente 920 verbindet. Die dissipativen Schalldämpferkomponenten 910a und 910b umfassen schallabsorbierendes Material 512 wie z. B. faseriges Material 512a.
Der Schalldämpfer 900 umfasst eine starre Außenschale 902, die aus einem Metall, einem Harz oder einem Verbundwerkstoff geformt ist, der zum Beispiel Verstärkungsfasern und ein Harzmaterial enthält. Beispiele für Außenschalen-Verbundwerkstoffe werden im US-Patent Nr. 6.668.972 mit dem Titel „Bumper/Muffler Assembly" beschrieben. Die Außenschale 902 in der dargestellten Ausführungsform weist eine im Wesentlichen zylindrische Form auf. Die Außenschale 902 kann aber jede andere geometrische Form haben, solange die zum Erreichen der gewünschten Dämpfung erforderlichen Volumen für die dissipativen Schalldämpferkomponenten 910a und 910b und die Helmholtzsche Resonatorkomponente 920 beibehalten werden.
Perforierte erste und zweite Rohre 980a und 980b, die beide ohne Knick geformt sind, sind mit der Außenschale 902 verbunden und erstrecken sich durch einen Teil der Außenschale 902, sodass zwischen den zwei Rohren 980a und 980b ein Zwischenraum 982 in der Schale 902 vorgesehen ist, siehe 9. Konventionelle Auspuffrohre, die nicht dargestellt sind, können mit den äußeren Enden der Rohre 980a und 980b verbunden werden, die außerhalb der Schale 902 liegen. Da die Rohre 980a und 980b ohne Knick geformt sind, werden Gegendruck- und Strömungsverluste durch den Schalldämpfer 900 reduziert. Die Rohre 980a und 980b sind mit einer Porosität von etwa 5 % bis etwa 60 % geformt.
In der dargestellten Ausführungsform weisen die dissipativen Schalldämpferkomponenten 910a und 910b jede einen im Wesentlichen zylindrischen Hohlraum 912a, 912b auf, der zwischen einem inneren, im Wesentlichen geraden, nicht perforierten Rohr 914a, 914b und einem der Rohre 980a und 980b geformt ist. Widerlager (nicht gezeigt) können von den Rohren 914a, 914b verlaufen und mit der Außenschale 902 verbunden sein. Der Hohlraum 912a weist einen Außendurchmesser D2, einen Innendurchmesser D1 und eine Länge L1 auf, während der Hohlraum 912b einen Außendurchmesser D2, einen Innendurchmesser D1 und eine Länge L3 aufweist. Jede dissipative Schalldämpferkomponente 910a und 910b kann mit faserigem Material 512a gefüllt sein, wie oben in Bezug auf die in 5 und 5A gezeigte Ausführungsform beschrieben. Ferner umfasst das Rohr 980a einen Teil der dissipativen Schalldämpferkomponente 910a, während das Rohr 980b einen Teil der dissipativen Schalldämpferkomponente 910b umfasst.
Scheibenförmige Endplatten 925a und 925b, die jede eine erste Öffnung 925c mit einem Durchmesser D1 aufweisen, sind vorgesehen, um das faserige Material 512a in den Hohlräumen 912a und 912b zurückzuhalten. Die Endplatten 925a und 925b können an die Rohre 980a, 980b, 914a, 914b angeschweißt oder auf sonstige Weise damit verbunden sein.
Die Helmholtzsche Resonatorkomponente 920 umfasst einen Hohlraumabschnitt 922 und einen Halsabschnitt 924, der durch den Zwischenraum 982 definiert wird. Der Hohlraum 922 weist eine im Querschnitt zylindrische Form, eine Länge = L1 + L2 + L3, einen Außendurchmesser D3 und einen Innendurchmesser D2 auf. Der Halsabschnitt 924 definiert eine scheibenförmige Öffnung mit einem Innendurchmesser D1, einem Außendurchmesser D4 und einer Länge L2. Der Halsabschnitt 924 wird durch die Endplatten 925a und 925b definiert. Der Halsabschnitt 924 kann alternativ dazu andere geometrische Formen haben, wie z. B. Kegel, Zylinder und rechteckige Rohre. Die Verlängerung des Halsabschnitts 924 durch eine Ausdehnung in den Hohlraumabschnitt 922 trägt dazu bei, niedrigere Resonanzfrequenzen zu erreichen, siehe die obige Gleichung 7. Die Verkürzung der Länge L2 zwischen den dissipativen Schalldämpferkomponenten 910a und 910b kann auch dazu beitragen, bei niedrigeren Frequenzen eine höhere Übertragungsdämpfung zu erreichen. Die Wirkung der Geometrie einschließlich der Stelle des Halsabschnitts kann durch die Grenzelemente-Methode genau vorhergesagt werden.
10 veranschaulicht einen Auspufftopf oder Schalldämpfer 1000 im Querschnitt und wird als Beispiel zum besseren Verständnis der Erfindung gegeben. Der Schalldämpfer 1000 umfasst einen Hybridschalldämpfer mit einer dissipativen Schalldämpferkomponente 1010 und einer reaktiven Komponente 1020, das heißt, einem Helmholtzschen Resonator. Der Schalldämpfer 1000 umfasst ferner eine Verbindungskomponente 1030, um die dissipative Schalldämpferkomponente 1010 mit der Helmholtzschen Resonatorkomponente 1020 zu verbinden oder daran anzuschließen. Die dissipative Schalldämpferkomponente 1010 umfasst schallabsorbierendes Material 1012 und entfaltet bei Frequenzen über etwa 150 Hz bei Umgebungstemperaturen eine wünschenswerte Breitbandgeräuschdämpfung. Die Helmholtzsche Resonatorkomponente 1020 entfaltet bei niedrigen Frequenzen, zum Beispiel von etwa 50 bis etwa 120 Hz bei Raumtemperatur eine wünschenswerte Geräuschdämpfung, was für Brennkraftmaschinengeräusche bei niedriger Drehzahl sowie luftübertragene Geräusche niedriger Ordnung typisch ist. Dadurch ist der Schalldämpfer 1000 über einen breiten Frequenzbereich hinweg ein effektiver Schalldämpfer. 10A stellt den erfindungsgemäßen dissipativen Schalldämpfer mit einem Ablenkblech 1014c in der dissipativen Komponente 1010 dar, um die Komponente in getrennte Kammern 1010a und 1010b zu aufzuteilen.
Der Schalldämpfer 1000 umfasst eine starre Außenschale 1002, die aus einem Metall, einem Harz oder einem Verbundwerkstoff geformt ist, der zum Beispiel Verstärkungsfasern und ein Harzmaterial enthält. Beispiele für Außenschalen-Verbundwerkstoffe werden im US-Patent Nr. 6.668.972 mit dem Titel „Bumper/Muffler Assembly" beschrieben. Die Außenschale 1002 in der dargestellten Ausführungsform weist eine im Wesentlichen ovale Form auf. Die Außenschale 1002 kann jede andere geometrische Form haben, solange die zum Erreichen der gewünschten Dämpfung erforderlichen Volumen für die dissipative Schalldämpferkomponente 1010 und die Helmholtzsche Resonatorkomponente 1020 beibehalten werden.
Rohre wie die im Wesentlichen geraden Rohre 1060, 1064 sind mit der starren Außenschale 1002 gekoppelt und erstrecken sich durch die ganze Länge der Außenschale 1002. Das Rohr kann Rohre mit einem leichten Knick oder Winkel, ein s-förmiges Rohr usw. umfassen. Konventionelle Auspuffrohre, die nicht dargestellt sind, können mit den äußeren Enden der Rohre 1060, 1064 verbunden sein. Das Rohr 1064 ist bevorzugt in einem ausreichenden Abstand von der Innenwand 1002a der Außenschale 1002 beabstandet, damit eine ausreichende Menge des faserigen Materials 1012 zwischen dem Rohr 1064 und der Schaleninnenwand 1002a angeordnet werden kann, um eine ausreichende Wärme- und Schallisolierung der Außenschale 1002 zu ermöglichen und eine Interferenz, durch die Außenschale 1002, mit der Schalldämpfung durch die dissipative Komponente 1010 zu vermeiden.
Ein Abschnitt 1062 des Rohrs 1060, der nicht perforiert ist, erstreckt sich durch einen Hohlraum 1022 der Helmholtzschen Resonatorkomponente 1020. Das Rohr 1064 ist perforiert und ist Bestandteil der dissipativen Schalldämpferkomponente 1010. Zwischen dem Rohr 1060 und 1064 ist die Verbindungskomponente 1030 angeordnet, die die dissipative Komponente 1010 und die reaktive Komponente 1020 mit dem Rohr 1062 verbindet. Das Rohr 1064 ist typischerweise so perforiert, dass es eine Porosität, das heißt, einen Prozentsatz von offener Fläche zu geschlossener Fläche von etwa 5 % bis etwa 60 % aufweist.
Der Hohlraum 1022 des Helmholtzschen Resonators kann optional ein faseriges Material 1070 wie z. B. Glas-, Mineral- und Metallfasern enthalten, die seine akustischen Eigenschaften verbessern. Demnach umfassen die erfindungsgemäßen Schalldämpfer einen dissipativen Schalldämpfer, der bei Frequenzen über 150 Hz eine wünschenswerte Breitbandgeräuschdämpfung bei Umgebungstemperatur entfaltet, und eine Resonatorkomponente, die bei niedrigen Frequenzen, zum Beispiel von etwa 50 bis etwa 120 Hz, eine wünschenswerte Geräuschdämpfung bei Raumtemperatur entfaltet, um einen Schalldämpfer zu ergeben, der über einen großen Frequenzbereich hinweg effektiv ist.

Claims

Schalldämpfer für eine Brennkraftmaschine, umfassend: eine Außenschale (502) mit einem Gehäuseabschnitt und ersten und zweiten Enden; eine Abgasleitung (600), die Abgase durch diesen Gehäuseabschnitt leitet; einen dissipativen Schalldämpfer (510), der in diesem Gehäuse angeordnet ist und die Abgasleitung (600) umgibt; und einen Helmholtzschen Resonator (520), umfassend eine Kammer (522) und einen Hals (524a), die im Gehäuse angeordnet sind, wobei die Abgasleitung (600) eine perforierte Abgasleitung ist und mindestens eine Perforation mit dem Resonatorhals (524a) akustisch gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalldämpfer außerdem mindestens ein Ablenkblech im dissipativen Schalldämpfer (510) aufweist.
Schalldämpfer nach Anspruch 1, wobei mindestens eine Perforation mit dem dissipativen Schalldämpfer akustisch gekoppelt ist.
Schalldämpfer nach Anspruch 1, wobei die Abgasleitung den dissipativen Schalldämpfer und die Helmholtzsche Resonatorkammer durchdringt, wobei die Abgasleitung eine Vielzahl von Perforationen entlang erster und zweiter Abschnitte der Abgasleitung und keine Perforationen entlang eines dritten Abschnitts der Leitung aufweist, wobei der erste Abschnitt der Abgasleitung mit dem Hals des Helmholtzschen Resonators akustisch gekoppelt ist, der zweite Abschnitt der Leitung mit dem dissipativen Schalldämpfer akustisch gekoppelt ist und der dritte Abschnitt der Leitung den Resonator durchdringt.
Schalldämpfer nach Anspruch 1, außerdem umfassend: erste und zweite Resonatoren, umfassend jeder eine Kammer und einen Hals; und erste und zweite dissipative Schalldämpfer, wobei die Abgasleitung die ersten und zweiten dissipativen Schalldämpfer und die ersten und zweiten Resonatorkammern durchdringt, die Abgasleitung eine Vielzahl von Perforationen entlang erster, zweiter und dritter Abschnitte der Abgasleitung und keine Perforationen entlang vierter und fünfter Abschnitte der Abgasleitung aufweist, und wobei der zweite Abschnitt der Abgasleitung mit den Hälsen der ersten und zweiten Resonatoren akustisch gekoppelt ist, die ersten und dritten Abschnitte der Leitung mit den dissipativen Schalldämpfern akustisch gekoppelt sind, und die vierten und fünften Abschnitte der Abgasleitung die Resonatoren durchdringen.
Schalldämpfer nach Anspruch 4, wobei der dritte Abschnitt der Abgasleitung nicht mit dem Resonator akustisch gekoppelt ist.
Schalldämpfer nach Anspruch 1, wobei die Kammer des Resonators ein poröses Material enthält.
Schalldämpfer nach Anspruch 6, wobei das poröse Material ein faseriges Material ist.
Schalldämpfer nach Anspruch 6, wobei das poröse Material aus der Gruppe gewählt wird, die im Wesentlichen aus Glasfasern und Mineralwollfasern besteht.
Schalldämpfer nach Anspruch 8, wobei das poröse Material eine hochtemperaturfeste Glasfaser ist.
Schalldämpfer nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Ablenkblech den dissipativen Schalldämpfer in mehrfache unabhängige akustische Kammern auftrennt.
Schalldämpfer nach Anspruch 1, außerdem umfassend: ein erstes Ende des Schalldämpfers; und ein zweites Ende des Schalldämpfers, wobei der Helmholtzsche Resonator am zweiten Ende des Schalldämpfers angeordnet ist, der dissipative Schalldämpfer zwischen den ersten und zweiten Enden angeordnet ist, und wobei der Hals des Helmholtzschen Resonators im Wesentlichen auf der Länge des dissipativen Schalldämpfers verläuft, der mit der Abgasleitung benachbart zum ersten Ende des Schalldämpfers akustisch gekoppelt ist.
Schalldämpfer nach Anspruch 11, wobei Abgas am ersten Ende des Schalldämpfers in den Schalldämpfer eingeleitet wird.
Schalldämpfer nach Anspruch 11, wobei Abgas am zweiten Ende des Schalldämpfers in den Schalldämpfer eingeleitet wird.
Schalldämpfer nach Anspruch 11, wobei der Hals einen allgemein ringförmigen Querschnitt aufweist und den dissipativen Schalldämpfer umschließt.
Schalldämpfer nach Anspruch 11, wobei der Hals einen allgemein kreisförmigen Querschnitt aufweist.
Schalldämpfer nach Anspruch 1, außerdem umfassend ein faseriges Füllmaterial im Resonator.
Schalldämpfer nach Anspruch 16, wobei der Resonator mindestens eine Wand aufweist und das faserige Füllmaterial mindestens eine Wand des Resonators auskleidet.
Schalldämpfer für eine Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, wobei die Abgasleitung eine Vielzahl von Perforationen entlang eines ersten und zweiten Abschnitts der Leitung aufweist; wobei der Hals mit mindestens einer Perforation im ersten Abschnitt der Abgasleitung akustisch gekoppelt ist; und der dissipative Schalldämpfer im Gehäuse angeordnet ist und den zweiten Abschnitt der Abgasleitung umgibt; wobei die Abgasleitung den dissipativen Schalldämpfer und die Resonatorkammer durchdringt, die Abgasleitung eine Vielzahl von Perforationen entlang eines ersten und zweiten Abschnitts der Leitung aufweist und ein dritter Abschnitt der Leitung keine Perforationen aufweist, wobei der erste Abschnitt der Leitung mit dem Hals des Resonators akustisch gekoppelt ist, der zweite Abschnitt der Leitung mit dem dissipativen Schalldämpfer akustisch gekoppelt ist und der dritte Abschnitt der Leitung den Resonator durchdringt.
Schalldämpfer nach Anspruch 18, wobei die Abgasleitung den dissipativen Schalldämpfer und die Resonatorkammer durchdringt, die Abgasleitung entlang eines ersten und zweiten Abschnitts der Leitung eine Vielzahl von Perforationen aufweist und ein dritter Abschnitt der Leitung keine Perforationen aufweist, wobei der erste Abschnitt der Leitung mit dem Hals des Resonators akustisch gekoppelt ist, der zweite Abschnitt der Leitung mit dem dissipativen Schalldämpfer akustisch gekoppelt ist und der dritte Abschnitt der Leitung den Resonator durchdringt.
Schalldämpfer nach Anspruch 18, wobei die Kammer des Resonators am zweiten Ende der Außenschale angeordnet ist, der dissipative Schalldämpfer zwischen den ersten und zweiten Enden angeordnet ist und der Hals des Resonators im Wesentlichen auf der Länge des dissipativen Schalldämpfers verläuft und benachbart zum ersten Ende der Schale mit der Auspuffleitung akustisch gekoppelt ist.
Schalldämpfer nach Anspruch 20, wobei Abgas am ersten Ende der Kammer in den Schalldämpfer eingeleitet wird.
Schalldämpfer nach Anspruch 20, wobei Abgas am zweiten Ende des Schalldämpfers in den Schalldämpfer eingeleitet wird.
Schalldämpfer nach Anspruch 20, wobei der Hals einen allgemein ringförmigen Querschnitt aufweist und den dissipativen Schalldämpfer umschließt.
Schalldämpfer nach Anspruch 20, wobei der Hals einen allgemein kreisförmigen Querschnitt aufweist.
Schalldämpfer nach Anspruch 18, außerdem umfassend ein faseriges Füllmaterial im Resonator.
Schalldämpfer nach Anspruch 25, wobei der Resonator mindestens eine Wand aufweist und das faserige Füllmaterial mindestens eine Wand des Resonators auskleidet.
Schalldämpfer nach Anspruch 1, wobei die Abgasleitung durch das erste Ende in die Außenschale eintritt, Abgase durch den Gehäuseabschnitt leitet und aus dem zweiten Ende austritt, wobei diese Abgasleitung eine Vielzahl von Perforationen entlang erster und zweiter Abschnitte der Leitung aufweist; wobei die Abgasleitung den dissipativen Schalldämpfer und die Resonatorkammer durchdringt, der erste Abschnitt der Leitung mit dem Hals des Resonators akustisch gekoppelt ist, der zweite Abschnitt der Leitung mit dem dissipativen Schalldämpfer akustisch gekoppelt ist.
Schalldämpfer nach Anspruch 27, außerdem umfassend einen dritten Abschnitt der Abgasleitung, der keine Perforationen aufweist, wobei dieser dritte Abschnitt den Resonator durchdringt.
Schalldämpfer nach Anspruch 27, wobei die Kammer des Resonators benachbart zum zweiten Ende der Außenschale angeordnet ist, der dissipative Schalldämpfer zwischen den ersten und zweiten Enden angeordnet ist und der Hals des Resonators im Wesentlichen auf der Länge des dissipativen Schalldämpfers verläuft und benachbart zum ersten Ende der Schale mit der Abgasleitung akustisch gekoppelt ist.
Schalldämpfer nach Anspruch 29, wobei Abgas am ersten Ende der Außenschale in den Schalldämpfer eingeleitet wird.
Schalldämpfer nach Anspruch 29, wobei Abgas am zweiten Ende der Außenschale in den Schalldämpfer eingeleitet wird.
Schalldämpfer nach Anspruch 29, wobei der Hals einen allgemein ringförmigen Querschnitt aufweist und den dissipativen Schalldämpfer umschließt.
Schalldämpfer nach Anspruch 29, wobei der Hals einen allgemein kreisförmigen Querschnitt aufweist.
Schalldämpfer nach Anspruch 27, außerdem umfassend ein faseriges Füllmaterial im Resonator.
Schalldämpfer nach Anspruch 34, wobei der Resonator mindestens eine Wand aufweist und das faserige Füllmaterial mindestens eine Wand des Resonators auskleidet.
Schalldämpfer nach Anspruch 1, umfassend: einen Resonator, umfassend eine Kammer und einen Hals, die in der Außenschale angeordnet sind; eine erste Abgasleitung, die durch das erste Ende in die Außenschale eintritt, um Abgase durch den dissipativen Schalldämpfer zu leiten, wobei die erste Abgasleitung eine Vielzahl von Perforationen im dissipativen Schalldämpfer aufweist; eine zweite Abgasleitung, die den Resonator durchdringt und durch das zweite Ende austritt; eine Zwischenkammer in der Außenschale, die mit den ersten und zweiten Abgasleitungen und dem Resonator in Fluidverbindung steht; und ein Ablenkblech im dissipativen Schalldämpfer, das den Schalldämpfer in separate akustische Kammern aufteilt.
Schalldämpfer nach Anspruch 36, außerdem umfassend ein faseriges Füllmaterial im Resonator.
Schalldämpfer nach Anspruch 37, wobei der Resonator außerdem mindestens eine Wand aufweist und das faserige Füllmaterial mindestens eine Wand des Resonators auskleidet.
Schalldämpfer nach Anspruch 36, außerdem umfassend eine Vielzahl von Ablenkblechen im dissipativen Schalldämpfer.
Schalldämpfer nach Anspruch 1, umfassend: eine Außenschale mit ersten und zweiten Enden; einen Resonator, umfassend eine Kammer und einen Hals, die in der Außenschale angeordnet sind; eine erste Abgasleitung, die durch das erste Ende in die Außenschale eintritt, um Abgase durch den dissipativen Schalldämpfer zu leiten, wobei diese erste Abgasleitung eine Vielzahl von Perforationen im dissipativen Schalldämpfer aufweist; eine zweite Abgasleitung, die den Resonator durchdringt und durch das zweite Ende austritt; eine Zwischenkammer in der Außenschale, die mit den ersten und zweiten Abgasleitungen und dem Resonator in Fluidverbindung steht; und ein faseriges Material im Resonator.
Schalldämpfer nach Anspruch 40, wobei der Resonator außerdem mindestens eine Wand aufweist und das faserige Füllmaterial mindestens eine Wand des Resonators auskleidet.
Schalldämpfer nach Anspruch 40, außerdem umfassend eine Vielzahl von Ablenkblechen im dissipativen Schalldämpfer.