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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Schalldämpfer für Verbrennungsmotoren und insbesondere Schalldämpferanordnungen
des Typs, bei dem rohrförmige
Gaszerstreuungswandungen zur Anwendung kommen, und Schalldämpfer mit
schallschluckenden oder -dämpfenden
Materialien.
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TECHNISCHER
HINTERGRUND
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Hochleistungs-Verbrennungsmotoren
des Typs, die in Rennwagen verwendet werden, sind immer wieder Gegenstand
umfangreicher empirischer Konstruktionsarbeiten und theoretischer
Studien sowohl in Hinsicht auf kommerzielle Anwendung als auch Anwendung
im Renn-Bereich. Die Abgassysteme für diese Motoren werden von
Renn-Teams und Autoherstellern beim Bemühen, die Motorleistung zu erhöhen oder
aufrechtzuerhalten, jedoch häufig
als zweitrangig betrachtet. Abgassysteme werden normalerweise als
die Motor-PS-Leistung verringernd statt als mögliche Quelle für eine Erhöhung der PS-Leistung
betrachtet.
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Hochleistungs-Motoren
sind generell zum Liefern einer Spitzenleistung bei höheren Motordrehzahlen
ausgelegt, und Systeme für
frei strömende Abgase,
und insbesondere Schalldämpfer,
für solche Motoren
sind äußerst vorteilhaft.
Obwohl ein geringer Gegendruck von dem Schalldämpfersystem die Motorbeschleunigung
bei niedrigen Motordrehzahlen unterstützen kann, ist ein Gegendruck
bei hohen UpM höchst
unerwünscht.
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Ein
abgassysteminduzierter Gegendruck kann die Motoratmung beeinträchtigen,
wodurch die obere Enddrehzahl begrenzt wird. Somit ist hinsichtlich
der Hochgeschwindigkeitsleistung das Minimieren des Gegendrucks
von dem Abgassystem eine primäre Überlegung
bei der Auslegung des Abgassystems.
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Rennwagen
weisen zum Beispiel normalerweise gerade Rohre ohne jeglichen Schalldämpfer auf.
Dieses ungedämpfte
oder ununterdrückte
Motorgeräusch
ist jedoch bei Anwendung außerhalb
des Renn-Sektors inakzeptabel und nicht tolerierbar. Selbst auf
Rennbahnen sieht man sich jetzt dem Druck ausgesetzt, die Geräuschpegel
bei Rennen zu reduzieren, insbesondere auf Rennbahnen, die sich in
der Nähe
von Stadtgebieten befinden.
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Die
Verwendung von Schalldämpfern
bei herkömmlichen
Nicht-Rennwagen ist selbstverständlich
durch verschiedene Gesetze vorgeschrieben, damit die Schalldämpfungs-Standards
auf öffentlichen
Straßen
eingehalten werden. Schalldämpfer-Erstausrüster für Nicht-Rennwagen
berücksichtigen
nur am Rande den PS-Leistungs-Abfall, der infolge der von dem Schalldämpfer bewirkten
Schalldämpfung
auftritt. PS-leistungsorientierte Autobesitzer neigen daher dazu,
auf dem Aftermarket nach Herstellern von Schalldämpfern mit höherer Leistung für ihre Autos
suchen, wobei diese Autos im rechtlichen Sinne "straßentauglich" bleiben, d. h. den gesetzlichen Schalldämpfungs-Anforderungen
entsprechen.
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Seit
vielen Jahren sind daher Schalldämpferanordnungen
auf dem Aftermarket erhältlich,
die den rauen Auspuff-Sound eines Sportwagens erzeugen, welcher
noch innerhalb der gesetzlichen Lärmgrenzen liegt und durch eine
zumindest leicht erhöhte Motorleistung
erreicht wird. Ein solcher auf dem Aftermarket erhältlicher
Schalldämpfer
ist in zahlreichen im wesentlichen gleichen Versionen hergestellt worden,
die generell als "Glasspack-Schalldämpfer" bekannt sind. Bei
diesen Schalldämpfern
wird ein längliches
rohrförmiges
Gehäuse
mit einer Lage aus Glasfasermaterial um den Innenumfang des Gehäuses verwendet,
wobei das Glasfasermaterial durch eine in dem Gehäuse befestigte perforierte
rohrförmige
Wandung in dem Gehäuse
festgehalten wird. Verschiedene Gasleit-Unterteilungs- oder Umlenkstrukturen
werden in der Glasfaser-Haltewandung verwendet, um das Zerstreuen
von Gasen und Schall zu Dämpfungszwecken
zu unterstützen,
bei Schalldämpfern,
die den geringsten Gegendruck erzeugen, ist die Umlenkung des zerstreuten
Gases jedoch minimal.
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Glasspack-Schalldämpfer erzeugen
anfangs den gewünschten
Sportwagen-Sound,
mit der Zeit führen
die hohen Gastemperaturen und die hohe Abgasgeschwindigkeit zu einem
Durchbrechen und Erodieren des Glasfasermaterials. Dieses Problem wird
bei Autos mit Katalysatoren noch verstärkt, da die Abgase, die in
den Schalldämpfer
gelangen, viel heißer
sind. Glasfasermaterial kann einer Temperatur von 800°F standhalten,
Katalysatoren können
die Abgastemperaturen jedoch von 800°F auf ungefähr 1200°F erhöhen, wodurch ein Durchbrechen
des Glasfasermaterials in hohem Maße beschleunigt wird.
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Auf
Wärmeerosion
von Glasfasermaterial ist durch Ersetzen durch eine Keramikfasermatte
als Schalldämpfeinrichtung
in Schalldämpfern
reagiert worden. Obwohl sich diese Vorgehensweise zur Lösung des
Problems des thermischen Durchbruchs, das aufgrund der Hitze der
durch den Schalldämpfer strömenden Abgase
auftritt, als geeignet herausgestellt hat, bleibt das Problem der
Erosion der Keramikmatten aufgrund der hohen Geschwindigkeit der Abgase
weiterhin bestehen.
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Die
Verwendung von Unterteilungselementen in Glasspack-Schalldämpfern zum
Dämpfen
des Sound führt
zu drei unerwünschten
Nebeneffekten. Erstens neigen die Unterteilungselemente dazu, den Gegendruck
durch Drosseln des Stroms durch den Schalldämpfer zu erhöhen. Zweitens
erhöhen
die Unterteilungselemente häufig
die Abgasgeschwindigkeit nahe dem Glasfasermaterial, wodurch die Glasfasererosions-
und -durchbruchrate erhöht
wird. Somit wird in dem Maße,
in dem die Glasspack-Schalldämpfer
im wesentlichen Durchgangs-Schalldämpfer sind (ohne schalldämpfende Zerstreuungs-Untertei lungselemente)
die Schalldämpfung
reduziert. Wenn diese schalldämpfende und
gaszerstreuende Unterteilungsstrukturen aufweisen, sind der Gegendruck
und die Glasfasererosion unerwünscht
hoch. Drittens neigen die Glasspack-Schalldämpfer beim Beschleunigen und
Verlangsamen zum Klopfen (Verursachen eines Knackgeräuschs).
Dies ist auch als "School
Busing" bekannt
und wird durch Schallwellen verursacht, die sich nicht ausdehnen
können.
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Wegen
dieser Probleme sind Glasspack-Schalldämpfer auf dem Schalldämpfer-Aftermarket
viel weniger beliebt, als es noch vor 20 oder 30 Jahren der Fall
war.
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US 4979587 wurde in dem
Europäischen Recherchebericht
angeführt
und beschreibt einen Glasspack-Schalldämpfer zum Unterdrücken von Düsenflugzeugmotor-Geräuschen mit
einem vorgeschalteten Abschnitt, welcher in einem Leitblech mündet, und
einem nachgeschalteten Kanalabschnitt mit einem vorderen Teil, welcher
das Leitblech umgibt. Luft strömt
durch Öffnungen
in der Leitblechwand. Dadurch wird die Geschwindigkeit des Luftstroms
am Kanalauslass-Port auf einen Wert von gleich oder kleiner 1,0
Mach reduziert. Das Leitblech hat praktisch keinen Einfluss auf
eine Luftströmung mit
niedriger Geschwindigkeit und niedrigem Druck. Der nachgeschaltete
Kanalabschnitt kann perforiert und von der Außenwand umgeben sein, um eine Schalldämpfkammer
zu bilden.
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OFFENBARUNG
DER ERFINDUNG
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Entsprechend
liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schalldämpferanordnung
für einen
Verbrennungsmotor bereitzustellen, die eine Unterteilungsstruktur
aufweist, welche zu Schalldämpfungszwecken
durch den Schalldämpfer
strömende
Gase und mitgeführten
Schall zerstreut, und zwar im wesentlichen ohne den Gasstrom in
dem Schalldämpfer
zu drosseln oder zu einzuengen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Schalldämpferanordnung bereitzustellen,
die Motorauspuffgeräusche
ohne größere negative
Auswirkungen auf die Motorleistung dämpft.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Glasfaser-Schalldämpferanordnung
bereitzustellen, bei der das durch Wärme und Abgasgeschwindigkeit
der erhitzten Abgase verursachte Erodieren und Durchbrechen der
Glasfaserkomponenten reduziert ist.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Schalldämpferanordnung mit
einem schalldämpfenden
Material mit längerer Lebensdauer
bereitzustellen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, einen
Schalldämpfer
bereitzustellen, bei dem ein "School
Busing" verhindert
wird, der haltbar, kompakt und wartungsfreundlich ist, eine minimale
Anzahl von Komponenten aufweist und ökonomisch in der Herstellung
ist.
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Zur
Lösung
der vorgenannten Aufgaben wird eine Schalldämpferanordnung für heiße Abgase
abgebende Verbrennungsmotoren gemäß Anspruch 1 bereitgestellt.
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Somit
können
Abgase um die querverlaufende Wand herum strömen, um die Geräuschkomponente
im wesentlichen ohne Drosselung zu dämpfen. Die erfindungsgemäße Schalldämpferanordnung weist
vorzugsweise ferner eine äußere Lage
aus Glasfasermaterial, die in dem Gehäuse nahe der Gehäusewand
angeordnet ist, und eine innere Lage aus Keramikmaterial, die zwischen
der Haltewandung und der Lage aus Glasfasermaterial positioniert
ist, und eine zweite perforierte Haltewandung, die außerhalb
der Zerstreuungswandung und konzentrisch zu dieser angeordnet ist,
auf. Die Keramikmateriallage ist ausreichend dick, um die Glasfasermateriallage
in einem ausreichenden Maße gegen
die heißen
Abgase zu isolieren, um ein Durchbrechen des Glasfasermaterials
weitgehend zu reduzieren.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
erfindungsgemäße Anordnung
hat weitere Aufgaben und vorteilhafte Merkmale, die anhand der nachfolgenden
Beschreibung der BESTEN ART DER DURCHFÜHRUNG DER ERFINDUNG und den beiliegenden
Patentansprüchen
in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen offensichtlich
werden. Es zeigen:
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1 eine
quergeschnittene Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Schalldämpferanordnung;
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2 eine
vergrößerte quergeschnittene Vorderansicht
der erfindungsgemäßen Schalldämpferanordnung
im wesentlichen entlang der Linie 2-2 aus 1;
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3 eine
verkleinerte perspektivische Teil-Draufsicht eines Teils einer alternativen
Ausführungsform
der perforierten Haltewandung gemäß der vorliegenden Erfindung
mit Darstellung länglicher Verstärkungsrippen;
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4 eine
schematische perspektivische Draufsicht der in 1 und 2 gezeigten
Schalldämpferanordnung.
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BESTE ART
DER DURCHFÜHRUNG
DER ERFINDUNG
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Obwohl
die vorliegende Erfindung anhand einiger weniger spezifischer bevorzugter
Ausführungsbeispiele
beschrieben ist, dient die Beschreibung zur Erläuterung der Erfindung und nicht
als Einschränkung
der Erfindung. Für
Fachleute auf dem Sachgebiet sind zahlreiche Modifikationen offensichtlich,
die nicht vom Geist und Umfang der Erfindung abweichen, wie er in
den beiliegenden Patentansprüchen
definiert ist.
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1 zeigt
eine Schalldämpferanordnung, die
generell mit 10 bezeichnet ist, mit der die oben genannten
Aufgaben gelöst
werden können.
Der Schalldämpfer 10 ist
primär
für Verbrennungsmotoren
vorgesehen, die heiße
Abgase abgeben, er kann jedoch auch für andere Schalldämpf-Anwendungen verwendet
werden. Die Schalldämpferanordnung weist
ein längliches
Gehäuse 15 mit
einer Einlassöffnung 12 an
einem Ende und einer Auslassöffnung 13 am
entgegengesetzten Ende auf. Die Gehäusewand 15 bildet
einen Innenraum oder Durchgang, der von der Einlassöffnung 12 zu
der Auslassöffnung 13 verläuft. Bei
einem ersten Aspekt des Schalldämpfers 10 ist
ein innen angeordnetes Unterteilungselement zum Verstärken der
Schalldämpfung
vorgesehen, das Unterteilungselement ist jedoch derart ausgebildet,
dass der Abgasstrom nicht wesentlich eingeengt oder gedrosselt wird.
Bei der am stärksten
bevorzugten Variante wird das erfindungsgemäße Unterteilungssystem in Kombination
mit Schalldämpfmaterial,
wie z. B. Glasfasermaterial, verwendet, beim ersten Aspekt der Erfindung
ist ein solches Schalldämpfmaterial
jedoch nicht erforderlich.
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Bei
einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Glasfaser-Schalldämpfer vorgesehen,
der eine verbesserte Festigkeit gegen Durchbruch und Erosion des
Glasfasermaterials bietet. Bei diesem Aspekt der Erfindung kann
das verbesserte Glasfasersystem mit einem Durchgangs-Schalldämpfer oder
besser noch mit dem verbesserten Unterteilungssystem gemäß dem ersten
Aspekt der Erfindung verwendet werden.
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Das
erfindungsgemäße schalldämpfende Unterteilungssystem
weist eine längliche
gaszerstreuende Wandung auf, die generell mit 33 bezeichnet
ist und die radial nach innen beabstandet in dem Gehäuse 15 und
vorzugsweise konzentrisch mit diesem positioniert ist. Die Zerstreuungswandung 33 ist vorzugs weise
aus einem rohrförmigen
(konischen) Element gebildet, welches sich konvergierend vom Einlassende 34 der
Wandung zu einem mittleren Teil 43 verjüngt und von dem mittleren Teil 43 zu
dem Auslassende 36 divergiert. Die Zerstreuungswandung 33 ist
ferner perforiert oder mit mehreren bei 46 gezeigten Öffnungen
ausgebildet, so dass heiße Gase
und mitgeführter
Schall durch die Zerstreuungswandung in einen Raum 35 zwischen
der Gehäusewand 15 und
der Wandung 33 strömen
können.
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Die
Verwendung konischer Unterteilungsanordnungen in Schalldämpfern ist
bekannt. Beispielsweise beschreibt das US-Patent Nr. 2,512,155 eine konvergierende/divergierende
konische Wandungsanordnung in einem Schalldämpfergehäuse. Dieser Schalldämpfer weist
keine querverlaufende Wand oder Unterteilung auf, so dass Schallwellen
entlang der Mittelachse des Schalldämpfers direkt vom Einlass zum
Auslass verlaufen können,
und der Schalldämpfer
weist kein schalldämpfendes
Glasfasermaterial oder Keramikmaterial auf. Siehe auch US-Patent
Nr. 2,213,614, das im wesentlichen gleiche Mängel enthält.
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Zum
Verhindern des direkten Strömens
der Schallkomponente des Abgases vom Einlass zum Auslass durch den
Schalldämpfer 10 weist
das erfindungsgemäße Unterteilungssystem
eine querverlaufende Wand, ein querverlaufendes Unterteilungselement
oder ein querverlaufendes Bauteil 45 auf, die/das an einer
Stelle zwischen dem Einlass- und dem Auslassende 34 und 36 vorzugsweise,
jedoch nicht notwendigerweise, ungefähr in der Mitte der Länge oder
im mittleren Teil 43 der Wandung quer über die Zerstreuungswandung 33 verläuft. Die Wand 45 blockiert
oder beschränkt
in großem
Maße die
direkte Weiterleitung der vom Gas mitgeführten Geräuschkomponenten durch das Gehäuse und zwingt
die heißen
Gase und den Schall, durch Perforationen 46 in den Raum 35 zu
divergieren. Hinter der Wand 45 müssen sowohl die heißen Gase
als auch die Geräuschkomponenten
vor dem Ausströmen durch
die Gehäuseauslassöffnung 13 zusammen
zurück
konvergieren, vorzugsweise durch mehrere Öffnungen oder Perforationen 47 in
der Zersteuungswandung 33.
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Das
Versehen der Zerstreuungswandung 33 mit einer querverlaufenden
Wand oder einem Drosselelement 45 ist ein wirkungsvolles
Mittel bei der Geräuschdämpfung durch
wesentliches Reduzieren der Durchleitung von Schall und durch Bewirken, dass
die Geräuschkomponenten
zusammen konvergieren und daher eine Aufhebung der Schallfrequenz erreichen.
Wie bereits beschrieben, erreicht die Schalldämpferanordnung 10 daher
eine beträchtliche Schalldämpfung über ein
Durchgangsrohr, diese Schalldämpfung
sollte jedoch nicht zu Lasten eines wesentlich erhöhten, schalldämpferinduzierten
Gegendrucks erzielt werden.
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Bei
dem verbesserten Unterteilungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung
ist die Zerstreuungswandung 33 ferner derart ausgebildet,
dass sie sich von dem Ende 34 zu der querverlaufenden Wand 45 um
ein solches Maß konvergierend
verjüngt,
dass eine Querschnittsfläche
an der Wand 45 zwischen der Wandung 33 und dem
Gehäuse 15 entsteht,
welche der Querschnittsfläche
der Einlassöffnung 12 mindestens
ungefähr
im wesentlichen gleich ist. Wie am besten aus 4 ersichtlich,
weist der Schalldämpfer 10 eine
Einlassöffnungsfläche A1 auf, die derart ausgewählt ist, dass ihre Größe den Strom von
Abgasen von einem Kopfrohr zu dem Schalldämpfer nicht drosselt oder einengt.
Auf im wesentlichen gleiche Weise ist die Fläche A2 der
Auslassöffnung 13 mindestens
ebenso groß wie
die Einlassöffnungsfläche A1. Dies ist auf dem Schalldämpfer-Sektor
bekannt, die Flächeneinengungen
innerhalb des Schalldämpfers
sind jedoch bis jetzt leider nur in geringem Maße berücksichtigt worden. Bei der
erfindungsgemäßen Schalldämpferanordnung
verjüngt sich
jedoch die Zerstreuungswandung 33 oder ist nach innen abgestuft,
bis die Fläche
A3 an der Wand 45 zwischen der
Wandung 33 und dem Gehäuse 15 der
Einlassfläche
A1 mindestens gleich ist.
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Ferner
weist die kombinierte Fläche
A4 von Perforationen 46 vor der
querverlaufenden Wand 45 ebenfalls eine Fläche auf,
die der querverlaufenden Fläche
A1 der Einlassöffnung 12 im wesentlichen gleich
oder größer als
diese ist. Es ist daher offensichtlich, dass die durch die Öffnung 12 und
entlang der Innenseite der konischen Zerstreuungswandung 33 strömenden Abgase
in der Lage sind, durch die Perforationen 46 und um die
querverlaufende Wand 45 und über diese hinaus zu strömen, ohne
auf eine Fläche
zu treffen, die in stärkerem
Maße eingeengt ist
als die Einlassöffnung 12 in
das Gehäuse 15.
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Ferner
kann durch die zwischen der Einlassöffnung 12 und der
Wand 45 konvergierende oder sich nach innen verjüngende Zerstreuungswandung 33 der
Schalldämpfer 10 mit
dem kleinstmöglichen Außendurchmesser
oder Gehäusequerschnitt
ausgebildet sein, ohne dass der Gasstrom eingeengt wird. Da die
Zerstreuungswandung 33 konvergiert, vergrößert sich
die Querschnittsfläche
A3 zwischen der Wandung 33 und
dem Gehäuse 15.
Wäre die Zerstreuungswandung 33 zylindrisch
(nicht konvergierend verjüngt),
müsste
die Gehäuseaußenwand 15 einen
größeren Durchmesser
aufweisen, um eine Strömung
um die querverlaufene Wand 45 ohne Flächeneinengung zu ermöglichen,
als es bei der erfindungsgemäßen sich
konvergierend verjüngenden Wandung 33 der
Fall ist. Ein Vergrößern des
Gehäusedurchmessers 15 führt zu einem
schnell steigenden Gehäuse-
oder Schalldämpfergewicht
sowie zu unerwünscht
wachsender Schalldämpfergröße.
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Bei
der bevorzugten Ausführungsform
verläuft
die Zerstreuungswandung 33 über die querverlaufende Wand 45 hinaus,
wie nachstehend genauer beschrieben, bei dem am weitesten gefassten
Aspekt kann die konische Wandung 33 jedoch an der Wand 45 enden.
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Bei
dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Schalldämpfer vorgesehen,
der ein Schalldämpfmaterial
enthält,
das hocheffizient ist und dennoch unter heutigen höheren Abgastemperaturen nicht
schnell durchbricht.
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Die
Einzelheiten des bevorzugten Systems zum Vorsehen von Schalldämpfmaterialien
in dem Schalldämpfer 10 werden
nun beschrieben.
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Zum
Erreichen einer weiteren Schalldämpfung
ist vorzugsweise ein Schalldämpfmaterial
in dem Gehäuse 15 vorgesehen,
wie z. B. eine Lage aus Glasfasermaterial 20. Bekanntermaßen kann
die Glasfaserlage 20 von einer perforierten Haltewandung,
die generell mit 17 bezeichnet ist, festgehalten werden.
Schallkomponenten des Abgases, die von dem strömenden Gas mitgeführt werden,
werden von der Zerstreuungswandung 33 und der querverlaufenden
Wand 45 nach außen
geleitet und treffen auf die Glasfaserlage 20, von der
sie gedämpft
werden. Das Volumen des Abgasstroms in der schalldämpfenden Lage 20 (und
in der Lage 21) ist minimal. Somit wird die Querschnittsfläche A3 an der querverlaufenden Wand 45 von
der Haltewandung 17 und dem Schalldämpfmaterial reduziert. Auch
hier ist die Fläche
A3 zwischen den Wandungen 33 und 17 an
der Wand 45 jedoch derart ausgewählt, dass sie der Fläche A1 der Einlassöffnung 12 mindestens
gleich ist. Es sind primär
die Schallkomponenten der Abgase sowie einige Gase, die sich mit
relativ geringer Geschwindigkeit bewegen, die in den ringförmigen Raum 18 zwischen der
Wandung 17 und dem Gehäuse 15 eintreten.
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Durch
die Verwendung einer schalldämpfenden
Lage vergrößert sich
daher der Gehäusedurchmesser,
es erfolgt jedoch auch eine wesentliche Steigerung der Schalldämpfung.
Ferner ermöglicht
es die sich nach innen verjüngende
Zerstreuungswandung 33, den Gehäusedurchmesser für einen
Schalldämpfer
zu minimieren, der auch ein Schalldämpfungsmaterial enthält.
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Zum
Verringern von Erosion und thermischem Durchbruch der Glasfaserlage 20 weist
die Schalldämpferanordnung 10 ferner
eine Innenlage aus Keramikfasermaterial auf, die generell mit 21 bezeichnet
ist und die in einem Hohlraum 18 zwischen der Haltewandung 17 und
der Glasfasermateriallage 20 angeordnet ist. Die Keramikmateriallage 21 ist ausreichend
dick, um das Glasfasermaterial in ausreichendem Maße gegen
die heißen
Abgase zu isolieren, um einen schnellen Durchbruch des Glasfasermaterials
zu verhindern. Bei der am stärksten
bevorzugten Ausführungsform
ist eine gewebte Keramikfasermatte 21 vorgesehen und isoliert
die Glasfasermatte oder -lage 20 gegen die Abgase. Die
Keramikmaterialmatte 21 reduziert die Temperatur der mit der
Glasfaserlage 20 in Kontakt kommenden Abgase vorzugsweise
auf eine Temperatur unter 800°F,
am besten auf eine gut unterhalb dieses Werts liegende Temperatur.
Die äußere Glasfaserlage 20 ist
ein hocheffizientes schalldämpfendes
Material, während die
innere Keramikmateriallage 21 eine gute Wärmeisolierung
bildet. Folglich erhöht
sich die Lebensdauer des Schalldämpfers 10 gegenüber herkömmlichen Glasspack-Schalldämpfern.
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Gemäß 1 verläuft das
längliche
Gehäuse 15 entlang
der Längsachse 22 und
ist vorzugsweise zylindrisch ausgebildet, obwohl andere Querschnitte
bei beiden Aspekten der vorliegenden Erfindung geeignet sind. Die
Haltewandung 17 ist ebenfalls vorzugsweise zylindrisch
ausgebildet und konzentrisch in dem Gehäuse 15 angeordnet.
Die Wandung 17 weist eine Wanddicke auf, die ausreicht,
um der Abgastemperatur bei gleichzeitiger Beibehaltung der strukturellen
Integrität
standzuhalten, wie auf dem Sachgebiet bekannt ist.
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Das
eine Ende 25 der Haltewandung 17 ist vorteilhafterweise
nahe der Gehäuseeinlassöffnung 12 an
einer Innenfläche
der Wand 15 befestigt oder mit dieser gekoppelt, während das
entgegengesetzte Ende 26 der Haltewandung 17 nahe
der Gehäuseauslassöffnung 13 an
der Wand 15 befestigt oder mit dieser gekoppelt ist. Die
Haltewandung 17 ist radial nach innen von der Gehäusewand 15 beabstandet
und bildet dazwischen einen Hohlraum oder Raum 18. Wie
am besten in 2 zu sehen ist, ist der Hohlraum 18 vorzugsweise
ringförmig
ausgebildet, und 1 zeigt ferner, dass die Haltewandung 17 mehrere
Durchlässe 30 mit
relativ kleinem Durchmesser aufweist und eine Verbindung zwischen
dem divergierenden/konvergierenden kegelstumpfförmigen Raum 35 und
dem Hohlraum 18 ermöglicht.
Die Durchlässe 30 sind
von einem Ende zum entgegengesetzten Ende der Haltewandung voneinander
beabstandet nebeneinander angeordnet. Einander benachbarte Reihen
von Durchlässen
sind vorzugsweise gestaffelt oder versetzt angeordnet, wie es normalerweise
bei perforierten Blechmaterialien der Fall ist.
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Die
Durchlässe 30 sind
so klein wie möglich ausgeführt, ohne
dass sie die Integrität
der Struktur wesentlich schwächen.
Eine gewünschte
kumulative offene Fläche
der Durchlässe 30 in
Blechmaterial von 18 Gauge beträgt
beispielsweise bis zu mindestens 40% des gesamten Flächenbereichs
der Haltewandung 17. Ein Durchmesser von ungefähr 1/16
Inch hat sich für
die Durchlässe 30 als
akzeptabel herausgestellt. Solche perforierten Materialien sind
im Handel erhältlich
und werden von DIAMOND MANUFACTURING COMPANY, Pennsylvania, USA,
hergestellt.
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Wie
oben dargelegt, ist die schalldämpfende Glasfasermatte 20 in
dem ringförmigen
Hohlraum 18 positioniert und hat einen ringförmigen Durchmesser. Vorzugsweise
erstreckt sich die Glasfasermatte im wesentlichen von einem Ende
des ringförmigen Hohlraums 18 nahe
der Gehäuseeinlassöffnung 12 bis
zum entgegengesetzten Ende des ringförmigen Hohlraums nahe der Gehäuseauslassöffnung 13.
Die Glasfasermatte ist ungefähr ¾ Inch
dick und ist eine langfadige gewebte Glasfasermatte ist, die mit
längeren
Glasfäden
genäht
ist. Die Struktur ist besonders zum Verbessern der Schalldämpfung geeignet
und in der Industrie bekannt.
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Zum
Isolieren der Glasfasermatte 20 gegen Wärmeerosion und Verschleiß aufgrund
des Strömens
von heißen
Abgasen durch den Hohlraum 18 ist die gewebte Keramikmatte 21 zwischen
der Glasfaserlage 20 und der Haltewandung 17 in
dem Hohlraum 18 angeordnet. Ähnlich wie die Glasfasermatte kann
die Keramikfaserlage 21 einen ringförmigen Querschnitt haben (2),
und sie erstreckt sich vorzugsweise von einem Ende zum anderen in
dem ringförmigen
Hohlraum 18, wobei sie die Glasfaserlage 20 im
wesentlichen gegen heiße
Abgase abschirmt und wärmeisoliert.
Somit ist bei Strömen
der heißen
Abgase durch die Durchlässe 30 in
den Hohlraum 18 die Glasfasermatte 20 durch die
Keramikfasermatte 21 wärmeisoliert.
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Das
gewebte Keramikfasermaterial ist für eine Betriebstemperatur zwischen
ungefähr
2300°F und
3000°F geeignet.
Das Keramikfasermaterial ist jedoch auch sehr fragil und muss ausreichend
unterstützt
werden, um zu verhindern, dass die Abgase die Fasern des Keramikmaterials
aufsplittern. Die Fasern des Glasfasermaterials greifen in einem
bestimmten Maß mit
den Keramikfasern zusammen und bieten die erforderliche Unterstützung zum
Verstärken
des Keramikmaterials. Ferner bietet die Haltewandung 17 dadurch
eine zusätzliche
mechanische Unterstützung,
dass die Keramikmateriallage in Sandwichform zwischen der Glasfaserlage
und dem Gehäuse 15 angeordnet
ist. Es hat sich herausgestellt, dass eine Sperre aus gewebtem Keramikmaterial
mit einer Dicke von nur ½ Inch
in der Lage ist, die Temperatur der Abgase an der Grenzschicht um
50% zu reduzieren. Die bevorzugte Dicke der Keramikmateriallage
liegt zwischen ungefähr ¼ Inch
und ungefähr ¾ Inch
und beträgt
im am stärksten
bevorzugten Fall ungefähr ½ Inch.
Eine solche Keramikfasermatte ist bei COTRONICS CORPORATION, New
York, USA, erhältlich.
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Gemäß den Einzelheiten
der Konstruktion der Zerstreuungswandung 33 ist das Ende 34 der Zerstreuungswandung 33 entweder
an der Gehäusewand 15 oder
der Haltewandung 17 nahe der Gehäuseeinlassöffnung 12 befestigt
oder mit dieser gekoppelt. Ferner erstreckt sich bei der bevorzugten
Ausführungsform
die Zerstreuungswandung im wesentlichen über die Gesamtlänge des
Gehäuses 15,
und das entgegengesetzte Ende 36 ist entweder an der Gehäusewand 15 oder
der Haltewandung 17 nahe der Gehäuseauslassöffnung 13 befestigt
oder mit dieser gekoppelt.
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Gemäß 1 ist
die Zerstreuungswandung 33 vorzugsweise als konvergierendes/divergierendes
kegelstumpfförmiges
rohrförmiges
Bauteil geformt. Eine Einlasslänge 38 der
Wandung 33 verjüngt nach
innen sich von der Einlassöffnung 12 zu
einem mittleren Teil 43 oder ist nach innen von der Einlassöffnung 12 zu
einem mittleren Teil 43 abgestuft, während sich ein nachgeschalteter
Auslassteil 40 der Zerstreuungswandung 33 nach
außen
von dem mittleren Teil 43 zu der Gehäuseauslassöffnung 13 verjüngt oder
nach außen
von dem mittleren Teil 43 zu der Gehäuseauslassöffnung 13 abgestuft
ist.
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Zum
Erleichtern der Zersteuung der Abgase radial nach außen um die
querverlaufende Wand 45 weist die Zerstreuungswandung 33 Öffnungen
oder Perforationen 46 auf, die vorteilhafterweise durch Schlitze
gebildet sind. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist die Einlasslänge 38 derart
schlitzförmig ausgebildet,
dass die Einlassschlitze 46 so ausgerichtet sind, dass Öffnungen
im wesentlichen der Richtung der Einlassöffnung 12 zugewandt
sind. Gemäß 1 und 2 können Einlasslöcher 46 als Langlöcher ausgebildet
sein und bogenförmig
oder am Umfang um die Gehäuselängsachse 22 verlaufen.
Schlitze 46, die dem Einlass 12 zugewandt sind, bieten
weniger Widerstand gegen den ankommenden Abgasstrom als Schlitze,
die von der Einlassöffnung
oder orthogonal zu der Einlassöffnung
verlaufenden Perforationen abgewandt sind. Diese Ausrichtung der
Schlitze 46 wird mit der kombinierten Fläche A4 der Schlitzöffnungen 46 kombiniert,
um minimalen Widerstand gegen Durchfluss in dem Schalldämpfer 10 zu
gewährleisten.
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Es
sei jedoch darauf hingewiesen, dass bei Straßen-Anwendungen oder Motoren
mit einer niedrigeren PS-Leistung schlitzförmige Einlasslöcher 46 nicht
kritisch sind. In diesen Fällen
können
standardmäßige oder
herkömmliche
perforierte Blechmaterialien verwendet werden, wie z. B. die Ausführungen der
Haltewandung 17 mit versetzt angeordneten Mitten-Durchlässen und
die in dem US-Patent Nr. 2,512,155 gezeigten perforierten Konen.
Es sei jedoch angemerkt, dass der kumulative Flächenbereich A4 der
Einlasslöcher 46 immer
noch der Querschnittsfläche
A1 der Einlassöffnung 12 mindestens gleich
sein sollte, und dieses Konzept ist in dem US-Patent Nr. 2,512,155
nicht beschrieben.
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An
der perforierten Auslasslänge 40 der
Zerstreuungswandung 33 sind mehrere Auslasslöcher 47 vorgesehen.
Diese Löcher
ermöglichen
eine Abgasverbindung zwischen dem divergierenden/konvergierenden
kegelstumpfförmigen Raum 35 und dem
Innenraum der Zerstreuungswandung 33. Bei Motoren mit einer
hohen PS-Leistung können
die Auslasslöcher 47 ähnlich wie
die schlitzförmigen
Einlasslöcher 46 schlitzförmig ausgebildet
sein, um die Leistung zu verbessern. Die Konfiguration der Auslasslöcher 47 ist
jedoch generell nicht so kritisch wie die der Einlasslöcher 46,
da die Abgase in dem ringförmigen
Raum 35 in Richtung der Auslassöffnung 13 strömen und
dabei den Weg des geringsten Widerstands nehmen. Die Verwendung
von Schlitzen per se wird nicht als neu angesehen, da in dem US-Patent
Nr. 2,213,614 mit Schlitzen versehene Schalldämpfer-Innenwandungen oder Unterteilungselemente
beschrieben sind.
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1 zeigt
drei unterschiedliche Auslassloch-Konfigurationen, welche verwendet
werden können.
Bei der ersten Konfiguration ist das Auslassloch 47a schlitzförmig ausgebildet
und weist eine offene Fläche
in Richtung des Innenraums der Wandung 33 auf, welche ähnlich wie
die Einlasslöcher 46 der
Einlassöffnung 12 zugewandt
ist. Wie durch den Abgasweg-Pfeil 48 angezeigt, wird dem
Weg des geringsten Widerstands gefolgt, wenn die Gase im wesentlichen
gerade von der Einlassöffnung 12 durch
die Schlitze 46 in den Raum 35 und von dem Raum 35 durch
den Schlitz 47a zu der Auslassöffnung 13 strömen. Somit
läuft ein
Teil des Abgasstroms und die von diesem mitgeführte Schallkomponente relativ
direkt mit geringerer Schalldämpfung
durch den Schalldämpfer.
Bei dieser ersten Auslassloch-Konfiguration 47a wird der
geringste Gegendruck erzeugt, und sie ist somit eher für Renn-Anwendungen
geeignet. Das Problem mit dieser Konfiguration liegt jedoch darin, dass
der Schalldämpfer
inhärent
lauter ist als bei den anderen Konfigurationen.
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Bei
der zweiten Auslassloch-Konfiguration, wie in 1 durch
ein Auslassloch 47b dargestellt, weist das schlitzförmig ausgebildete
Auslassloch eine Fläche
auf, die der Gehäuseauslassöffnung 13 abgewandt
ist. Wie durch Pfeile 49 angezeigt, ist der Weg des geringsten
Widerstands, der durch das Auslassloch 47b verläuft, länger und
weitschweifiger als der Weg des geringsten Widerstands, der durch
das Auslassloch 47a (von Pfeil 48 dargestellt)
verläuft. Bei dieser
zweiten Schlitz-Konfiguration ist der Gegendruck geringfügig erhöht, da jedoch
kein gerader Weg zwischen der Einlassöffnung 12 und der
Auslassöffnung 13 verläuft, besteht
bei dieser Konfiguration die Neigung, die Auspuffgeräuschkomponenten
in stärkerem
Maße zu
dämpfen.
Somit ist diese Konfiguration eher für Straßen-Anwendungen geeignet.
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Durch
Kombinieren dieser beiden Konfigurationen können der lange und der kurze
Weg der Abgase variiert werden, wodurch der Schalldämpfer-Sound
und der Gegendruck den Kundenwünschen
angepasst werden können.
Ferner kann eine dritte Auslassloch-Konfiguration, die in 1 durch ein
Auslassloch 47c dargestellt ist, für Anwendungen bei niedrigerer
Leistung vorgesehen sein. In diesem Fall kann ein standardmäßiges oder
herkömmliches perforiertes
Blech verwendet werden, wie z. B. die oben beschriebene Ausführung der
Haltewandung 17 mit versetzt angeordneten Mitten-Durchlässen. Es sei
jedoch darauf hingewiesen, dass der kumulative Flächenbereich
A5 der Auslasslöcher 47 auch hier wieder
der Querschnittsfläche
A1 der Einlassöffnung mindestens gleich sein
sollte.
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Perforationen
sind in der Herstellung kostengünstiger
als Schlitze, Perforationen rufen jedoch eine radiale Komponente
in dem Gasstrom hervor. Entsprechend sind Schlitze die am stärksten bevorzugte
Variante im konvergierenden Abschnitt der Wandung 33 am
Einlassende des Schalldämpfers zum
Reduzieren der Geschwindigkeit des nach außen in Richtung der Glasfaser-
und der Keramikmateriallage strömenden
Gases. In dem divergierenden Abschnitt der Wandung 33 nahe
dem Auslass 13 strömen
die Gase von dem Raum 35 nach innen in die Mitte des Schalldämpfers zurück. Entsprechend werden
die Perforationen 47c bevorzugt, da Erosion kein Thema
ist und die einfachen Perforationen 47c in der Wandung 33 in
der Herstellung kostengünstiger
sind als die Schlitze 47a, 47b.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die in 3 gezeigt
ist, weist die Haltewandung 17 Verstärkungsrippen 50 auf,
die in Längsrichtung
der Haltewandung 17 verlaufen. Diese Rippen bieten eine
zusätzliche
Festigkeit des perforierten Haltematerials, wodurch ein dünneres oder
leichteres Blechmaterial verwendet werden kann, um Gewicht zu sparen.
Ferner vergrößert diese Rippenanordnung
den Flächenbereich,
was zum Reflektieren von Schallwellen in unterschiedlichen Winkeln
zwecks Zersteuung in dem Gehäuse 15 geeignet
ist. Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal der Rippen 50 ist
die Erleichterung des Gasstroms in einer Richtung entlang der Achse 22,
wodurch Wirbelströme und
unerwünschte
Verwirbelung der Gase reduziert werden.