DE69103261T2

DE69103261T2 - Aktive geräuschkontrolle.

Info

Publication number: DE69103261T2
Application number: DE69103261T
Authority: DE
Inventors: Martin John 152 Halbeath Road Fife Ky11 4Lb Moody; Alan Vivian 19 Laurel Close Hampshire Rg25 1Bh Yorke
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: Qinetiq Ltd
Priority date: 1990-03-21
Filing date: 1991-03-18
Publication date: 1994-12-08
Anticipated expiration: 2011-03-19
Also published as: DE69103261D1; WO1991014854A1; GB9006371D0; EP0521046B1; US5363450A; EP0521046A1; ES2057878T3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur aktiven Steuerung der Geräuschentwicklung in Abgassystemen.
Herkömmliche Abgassysteme bestehen aus einem mit dem Motor verbundenen Rohrstück, das Schalldämpfer aufweist. Diese bewirken daß die durch die Abgase hervorgerufenen Geräusche und Vibrationen gedämpft werden.
Da es kein perfektes Abgassystem gibt, stellt sich die Forderung nach einer Verbesserung des Geräuschpegels bzw. einer weiteren Verringerung des Vibrationspegels.
Es ist somit Ziel der vorliegenden Erfindung, den Geräuschund Vibrationspegel eines Abgassystems mittels eines Verfahrens zur aktiven Geräuschsteuerung zu verringern.
Bei dem erfindungsgemäß bereitgestellten Verfahren zur Reduzierung der durch ein Abgassystem eines Motors erzeugten Geräusche wird zusätzlich zu dem vom Motor erzeugten Abgas dem Abgas ein Zusatzfluid zugeführt (DE-A-2 103 705). Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr dieses Fluids in das System geeigneterweise zeitlich so abgestimmt wird, daß die Geräuschquelle (Abgasanlage) und das durch die Fluidzufuhr bewirkte Geräusch unterschiedliche Phasen aufweisen, die idealerwei se einander entgegengesetzt sind.
Der Begriff Abgassystem kann für alle heißen Gasströme verwendet werden, bei denen Geräusche entstehen.
Es wird davon ausgegangen, daß durch die in geeigneter Weise zeitlich abgestimmte Zufuhr von Fluid wie Luft oder Wasser in ein Abgassystem der dabei erzeugte Schall und die entstehenden Vibrationen antiphasisch zu dem ursprünglichen Abgasgeräusch und den dabei auftretenden Vibrationen gesteuert werden können. Dadurch wird eine Verringerung oder Unterdrückung des Schalls und der Vibrationen bewirkt. Das gesamte Geräusch des Systems erhöht sich im übrigen dann, wenn das durch die Fluideinspritzung entstandene Geräusch mit dem ursprünglichen Abgasgeräusch phasengleich ist.
Zur Erzeugung eines Geräusches muß ein ausströmendes Gas komprimiert oder entspannt werden, um eine Volumengeschwindigkeit zu erzeugen, das heißt, es muß sich das Nettovolumen ändern. Folglich bewirken Volumenänderungen in der Abgasanlage ein Geräusch.
Durch Zufuhr eines Fluids in das Abgassystem wird zunächst eine Volumensteigerung bewirkt, die durch Abkühlung oder andere Faktoren neutralisiert werden kann, wodurch eine Verringerung des Volumens insgesamt bewirkt wird. Diese Volumenänderungen können zu den im Abgassystem natürlicherweise vorhandenen Volumina im Gegensatz stehen. Die Auswirkungen einer Volumensteigerung sowie einer Volumenverringerung durch Abkühlung können mit verschiedenen Fluids festgestellt werden. Die Zumischung einer Flüssigkeit wie Wasser bringt jedoch den weiteren Effekt einer Verdampfung mit sich und führt somit zu einer Volumensteigerung. Die latente Verdampfungswärme bei einer in das Abgassystem eingebrachten Flüssigkeit bewirkt eine Abkuhlung der Druckmaxima. Somit stehen bei der Zumischung von Wasser zu den heißen Gasen eines Abgassystems die Wirkungen der Wärmeextraktion und der Verdampfung einander gegenüber. In diesem Falle kühlen das kalte Wasser und die anschließende Verdampfung das Gas ab und bewirken eine Verdichtung, wohingegen durch die Verdampfung entstandener Wasserdampf einer Entspannung unterliegt.
Vorzugsweise erfolgt die Fluidzufuhr in der Nähe des Auspuffauslaßkrümmers.
Das zugeführte Fluid ist vorzugsweise eine Flüssigkeit. Der Siedepunkt jeder zugeführten Flüssigkeit sollte niedriger sein als die Temperatur der Abgase, um eine Verdampfung der Flüssigkeit sicherzustellen.
Vorzugsweise ist die zugeführte Flüssigkeit Wasser.
Wenngleich es mehrere Möglichkeiten der Fluidzufuhr gibt, so wird dieses vorzugsweise in das Abgassystem eingespritzt. In dem Fall, in dem Turbolader oder Kompressoren vorgesehen sind, kann das Fluid über eine Entlüftung unter Druck vom Turbolader oder Kompressor in die Abgasanlage eingeleitet werden. Alternativ können Einspritzeinrichtungen zur Einbringung des Fluids in das Abgassystem Verwendung finden.
Vorzugsweise wird in dem Fall, in dem das Fluid eine Flüssigkeit ist, dieses in das Abgassystem eingesprüht.
Die Wirksamkeit der aktiven Geräuschsteuerung nach der Erfindung hängt zu einem gewissen Grad von der Wahl des geeigneten Verfahrens für eine bestimmte Geräuschquelle ab. Bei hohen Schallentwicklungen sind niedrige Auspufftemperaturen erforderlich, sowie ein ein dünner Flüssigkeitssprühstrahl , vorzugsweise Wasser, der in den Auspuff eingespritzt wird, um eine gute aktive Geräuschsteuerung sich erzustellen.
Alternativ sind bei Geräuschquellen großer Bandbreiten hohe Mach-Zahlen für die Ausströmgeschwindigkeit und hohe Auspufftemperaturen, in Kombination mit einem dünnen Flüssigkeitssprühstrahl, erforderlich, sowie ein vehementes Mischen von Flüssigkeit und Abgasen.
Die Bandbreite des aktiven Systems zur Geräuschverringerung läßt sich dadurch erhöhen, daß Zwangskonvektion während der Existenzdauer der Sprühtropfen stattfindet. Dies kann dadurch geschehen, daß man auf den Strom vor und hinter der Einspritzvorrichtung oder einem anderen Zuleitungssystem in den Auspuff Einfluß nimmt.
Ferner lassen sich der Schallpegel und damit die aktive Geräuschsteuerung dadurch steigern, daß man sicherstellt, daß die Temperatur unter 100 ºC liegt. Man nimmt an, daß der Grund hierfür ist, daß die latente Wärme teilweise ohne Verdampfung entzogen worden ist. Dabei ist unter der hier verwendeten Endtemperatur die Temperatur zu verstehen, bei der sich in dem Auspuff keine Nettoveränderung des eingespritzten Fluidvolumens ergibt, die ein Geräusch hervorruft.
Die vorliegende Erfindung wird als besonders vorteilhaft in bezug auf die Verringerung des Schallpegels in Abgassystemen von Schwerlastern angesehen.
Die Erfindung sei nachstehend anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, welche eine graphische Darstellung der Volumenveränderung für Wasser ist und in der Δ den Volumenänderungsfaktor darstellt, der sich durch die Einspritzung von X Mol Wasser (bei 15 ºC) pro Mol Abgas bei der Temperatur Ta1 ergibt.
Für die Schallerzeugung ist eine Volumenänderung eines Gases erforderlich. Von einem Motor erzeugtes Abgas entspannt sich, wenn es von einem Bereich hohen Drucks in einen Bereich niedrigen Drucks strömt. Ein Schallabsorptionssystem sollte somit dahingehend wirksam werden, daß es eine Volumenverdichtung in dem Abgasstrom herbeizuführt. Bei der Einspritzung von Wasser in ein heißes Abgassystem sind vier Zustände des isobarischen Prozesses zu unterscheiden. Es sind dies das Anffangsstadium nach der Einspritzung; des Vermischen, der Wärme austausch und die Entspannung; die Verdampfung; und das Gleichgewicht, bei dem die Endtemperatur größer ist als 100 ºC.

Zustand

1. na Mol heißes Gas, Volumen Va1, Temperatur Ta1, und nL Mol Wasser bei TLI
Gas H&sub2;O flüssig Va1 nL, TLI Ta1, na
2. Zulassen von Vermischung, Wärmeaustausch und Entspannung Gas: Va2, Ta2 H&sub2;O: TL2 = 100 ºC
3. Verdampfung Gas: Va3, Ta3
H&sub2;O-Dampf:
Tv2 = 100 ºC,
nv = nL
4. Gleichgewicht bei Tf > 100 ºC Gas + H&sub2;O:
Vf, TF, n = na + nL
Die erforderliche Wärme, um n&sub1; Mol Wasser bei konstantem Druck zu verdampfen, entpricht der dem Abgas (Zustände 1 und 3) entzogenen Enthalpie:
Hv = nL(cL+cpL(TL2-TL1)) = -cpana (Ta3-Ta1),
wobei CL = die latente Verdampfungswärme von Wasser,
CpL = die spezifische Wärmekapazität von Wasser bei konstantem Druck und
Cpa = die spezifische Wärmekapazität von Gas bei konstantem Druck ist.
Eine Umstellung ergibt:
Ta3 = Ta1 - X(cL+cpL(TL2-TL1))/cpa = Ta1-BX,
wobei X = nL/na das Verhältnis von Wasser zu Gas in dem Gemisch ist.
Für die Änderung von Verdampfung zum Gleichgewicht (Zustand 3 in Richtung Zustand 4) unter der Annahme eines einwandfreien Gasverhaltens (gültig für ein kleines X) gilt, wenn kein Wärmeaustausch mit der Umgebung vorliegt: dH = 0 und H3 = Hf, d.h.
cpana (Ta3-To)+cpvnv(Tv3-To) = cpn(Tf-To),
wobei To = eine Bezugstemperatur ist.
Bei Gemischen von idealen Gasen stellen einige thermodynamische Eigenschaften des Gemisches lediglich die gewichtete Summe der entsprechenden Eigenschaften der Bestandteile dar (Gesetz von Gibbs-Dalton). Dies kommt im folgender zum Tragen:
Vorstehendes angewandt und umgestellt ergibt:
Tf = RTa3+Tv3/1+R,
wobei R = (1/X)(cpa/cpv).
Schließlich stellt sich bei einem idealen Gas die fraktionale Volumenänderung aus der Temperaturveränderung wie folgt:
Δ = Vf/Val = (1+X)Tf/Ta1.
Das Wasser muß im Endzustand als Wasserdampf erhalten bleiben, damit diese Gleichung Gültigkeit hat. Die Auspuffanlage eines Benzinmotors enthält bei einer stöchiometrischen Verbrennung normalerweise 75 % N&sub2;, 10 % CO&sub2; und 15 % H&sub2;O. Die spezifische Wärmekapazität des Auspuffgases wird von der des Stickstoffs dominiert; Setzt man für das anfänglich eingesetzte Wasser TL1=15 ºC und für die molaren Wärmekapazitäten cpa = 34 Jmol-1K-1, cpv = 36 Jmol-1K-1, cpL = 75,4 Jmol-1K-1, CL = 40600 Jmol&supmin;¹ (diese Werte gelten für atmosphärischen Druck und für die relevanten Temperaturen), so ergibt sich ein Kurvensatz als Funktion von X und der ursprünglichen Auspufftemperatur Ta1 wie in Fig. 1 gezeigt. Die Figur zeigt, daß zumindest für Wasser immer eine Nettoverdichtung des Volumens besteht.
In den Fällen, in denen die Erfindung auf einen Dieselgenerator von 60 kw durch Einspritzen von Wasser in das Abgassystem bei Einsatz einer verhältnismäßig einfachen Anordnung angewandt wurde, entstand eine akustische Quelle vergleichbar mit einem Motor bei Frequenzen unter 25 Hz.

Claims

1. Verfahren zur Verringerung der durch ein Abgassystem eines Motors erzeugten Geräusche, wobei zusätzlich zu dem vom Motor erzeugten Abgas dem Abgassystem ein Zusatzfluid zugeführt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr des Fluids in das System geeigneterweise zeitlich so abgestimmt wird, daß die Geräuschquelle (Abgasanlage) und das durch die Fluidzufuhr bewirkte Geräusch unterschiedliche Phasen aufweist, die idealerwei se einander entgegengesetzt sind.

2. Verfahren zur Geräuschverringerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidzufuhr in der Nähe des Auspuffauslaßkrümmers erfolgt.

3. Verfahren zur Geräuscnverringerung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zugeführte Fluid eine lüssigkeit ist.

4. Verfahren zur Geräuschverringerung nach einem der rangehenden Anprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zugeführte Fluid Wasser ist.

5. Verfahren zur Geräuschverringerung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid in das Abgassystem eingespritzt wird.

6. Verfahren zur Geräuschverringerung nach den Ansprüchen 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet, daß Turbolader oder Kompressoren vorgesehen sind, um über eine Entlüftung Fluid unter Druck vom Turbolader oder Kompressor in den Auspuff einzuleiten.

7. Verfahren zur Geräuschverringerung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Fall, in dem das Fluid eine Flüssigkeit ist, es in das Abgassystem eingesprüht wird.

8. Verfahren zur Geräuschverringerung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auspufftemperaturen bei hoher Geräuschentwicklung niedrig sind und in den Auspuff ein dünner Flüssigkeitssprühstrahl eingespritzt wird.

9. Verfahren zur Geräuschverringerung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Geräuschquellen großer Bandbreiten hohe Mach-Zahlen für die Ausströmgeschwindigkeit und hohe Auspufftemperaturen zusammen mit einem dünnen Flüssigkeitssprühstrahl und einer turbulenten Vermischung der Flüssigkeit und der Abgase verwendet werden.

10. Verfahren zur Geräuschverringerung nach Anspruch 8 oder 9,

dadurch gekennzeichnet, daß die Bandbreite des aktiven Systems zur Geräuschverrringerung dadurch erhöht wird, daß man sicherstellt, daß Zwangskonvektion während der Existenzdauer der Sprühtropfen stattfindet.

11. Verfahren zur Geräuschverringerung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwangskonvektion durch Einflußnahme auf den Strom vor und hinter der Einspritzvorrichtung oder einem anderen Zuleitungssystem in den Auspuff bewirkt wird.

12. Verfahren zur Gerauschverringerung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Fall, in dem das Fluid Wasser ist, die Endtemperatur unter 100 ºC liegt.