DE69917072T2

DE69917072T2 - Perforiertes endstück eines schalldämpfers

Info

Publication number: DE69917072T2
Application number: DE69917072T
Authority: DE
Inventors: Ulf Nilsson; Pekka Saviharju; Per-Ola Petersson
Original assignee: Volvo Car Corp
Current assignee: Volvo Car Corp
Priority date: 1998-12-30
Filing date: 1999-12-21
Publication date: 2005-04-07
Anticipated expiration: 2019-12-22
Also published as: US6629580B2; US20010045322A1; DE69917072D1; SE9804608L; EP1144815A1; SE520282C2; EP1144815B1; SE9804608D0; WO2000040841A1

Description

Technischer Bereich
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schalldämpfereinheit gemäß des im Anhang befindlichen Anspruchs 1. Die Erfindung ist insbesondere für den Einsatz im Zusammenhang mit einer Schalldämpfereinheit in einem Abgassystem eines Kraftfahrzeugs zur Unterdrückung eines unerwünschten Geräusches vorgesehen, das von dem durch das Abgassystem strömende Abgas ausgeht.
Stand der Technik
Im Zusammenhang mit den heutigen Fahrzeugen, z. B. Personenkraftwagen, wird ein Abgassystem nach herkömmlicher Art und Weise zum Ausleiten einer Abgasströmung aus dem Fahrzeugmotor in die Umgebung verwendet. Der Begriff „Abgassystem" wird hier benutzt, um eine Anordnung zu bezeichnen, die eine Anzahl von rohrförmigen Bauelementen, die die Abgase aus einem Auspuffkrümmer der Maschine transportieren, eine Schalldämpfereinheit und typischer weise auch einen Dreiwegekatalysator aufweist. Die Schalldämpfereinheit wird in bekannter Art und Weise zur Reduzierung des unerwünschten Geräusches verwendet, das von der Abgasströmung durch das Abgassystem ausgeht, wohingegen der Dreiwegekatalysator zur Reduzierung der Emission von schädlichen Schmutzstoffen aus der Maschine verwendet wird.
Die oben aufgeführte Schalldämpfereinheit funktioniert in bekannter Art und Weise, um eine Schwingung der strömenden Abgase zu vergleichmässigen und um diese Schwingung so unhörbar wie möglich zu machen. Wegen der Anforderung hinsichtlich guten Komforts für die Fahrzeugpassagiere werden heutige Schalldämpfereinheiten so ausgelegt, dass das in der Abgasströmung entstehende Geräusch auf einen Bereich unter einem bestimmten Grenzwert reduziert wird. Der Begriff „Grenzwert" bezeichnet hier auch einen variierenden Wert (oder eine Reihe von Werten) in Abhängigkeit von der Frequenz des Geräusches.
Als Konsequenz gesetzlicher Anforderungen in verschiedenen Ländern hinsichtlich des Geräusches, das ausserhalb des Fahrzeugs wahrgenommen werden kann, d. h. das die äussere Umgebung des Fahrzeugs beeinflußt, ist es des weiteren erforderlich, das Geräuschniveau so zu begrenzen, dass es diese Erfordernisse erfüllt.
Folglich muß das Abgassystem derart ausgelegt werden, dass es die Komfortanforderungen genauso wie die gesetzlichen Auflagen im Hinblick auf akzeptable Geräuschniveaus erfüllt.
Ein herkömmlicher Typ einer Schalldämpfereinheit ist für eine Anordnung als Abschluß des Abgassystems vorgesehen und weist eine Kammer auf, durch die die Abgase befördert werden. Der Auslass dieser Kammer ist ein rohrförmiges sogenanntes Endrohr, durch das die Abgase strömen. Von dem Endrohr gelangen die Abgase in ein weiteres rohrförmiges Bauteil, das in einer herkömmlichen Art so positioniert ist, dass es sich von dem hinteren Ende des Fahrzeugs aus erstreckt.
Entsprechend dem Stand der Technik ist die Schalldämpfereinheit vorzugsweise vollständig oder zum Teil mit Mineralwolle oder einem vergleichbaren geräuschabsorbierenden Material gefüllt. Des weiteren kann das Endrohr perforiert sein, d. h. mit einer Anzahl von relativ kleinen Löchern versehen sein, die längs der Umfangsfläche des Endrohres verteilt sind. Auf diese Weise kann die Hochfrequenzenergie in dem Abgasstrom an die Umgebung abgegeben und durch das geräuschabsorbierende Material absorbiert werden, das vorzugsweise die Perforationen am Endrohr umschließt. Dies bedeutet eine Reduktion des Geräuschniveaus aus dem Abgasstrom, in erster Linie bei relativ hohen Frequenzen. Eine Reduktion des Geräusches bei relativ niedrigen Frequenzen wird hauptsächlich durch geeignetes Dimensionieren der Länge und des Durchmessers des Endrohres erreicht.
Die geräuschabsorbierenden Eigenschaften einer bestimmten Schalldämpfereinheit in einem bestimmten Fahrzeug werden durch mehrere Faktoren bestimmt, z. B. durch den Typ eines bestimmten Motors, die Strömungseigenschaften der Abgase und die Auslegung und die Dimensionen des Abgassystems. Die geräuschabsorbierenden Eigenschaften werden nicht zuletzt zu einem hohen Anteil durch die Konfiguration des Passagierraums des betreffenden Fahrzeugs beeinflusst. Da kann z. B. bei einem bestimmten Fahrzeugtyp im Hinblick auf die Geometrie und Dimensionen des Fahrzeugraumes ein Risiko darin bestehen, dass der Fahrzeugraum ein relativ hohes Geräuschniveau bei relativ niedrigen Frequenzen ganz besonders in der Größenordnung von 50–70 Hz beisteuert, die durch stationäre Wellenbedingungen und einer Resonanz im Inneren des Fahrgastraumes verursacht werden. Diese Art von Niedrigfrequenzgeräusch wird hinsichtlich eines Komfortaspektes als sehr ungünstig betrachtet und stellt somit ein Problem dar, wenn das Geräusch Werte hinsichtlich akzeptabler Grenzwerte überschreitet.
Das Problem eines exzessiven lauten Niedrigfrequenzgeräusches könnte als solches durch die Verwendung eines relativ langen Endrohres, das nicht mit Perforationen versehen ist, gelöst werden. Dies hätte dann zur Folge, dass das Niedrigfrequenzgeräusch auf einen Wert reduziert werden könnte, der hinsichtlich eines Komfortaspektes annehmbar wäre, jedoch zur gleichen Zeit den Effekt einer substantiellen Reduzierung der Absorption von Hochfrequenzgeräuschen hätte. Es entstünde ein Risiko der Geräuschabsorption bei relativ hohen Frequenzen, ganz besonders in der Größenordnung von 150–200 Hz, was nicht zufriedenstellend ist. In unglücklichen Fällen könnte dies dazu führen, dass man nicht in der Lage ist, gesetzliche Auflagen im Hinblick auf das vom Fahrzeug ausgehende Hochfrequenzaussengeräusch zu erfüllen.
Folglich gibt es sich widersprechende Anforderungen hinsichtlich des Ziels in der Bemühung, das Niedrigfrequenzgeräusch zu unterdrücken, während zu derselben Zeit gesetzliche Auflagen hinsichtlich der Lautstärken des Hochfrequenzaussengeräusches einzuhalten sind. Die Verwendung eines Abgassystems mit einem vergrößerten Volumen könnte als solches dieses Problem lösen. Jedoch ist dies nicht immer möglich, weil irgendein spezifisches Abgassystem immer dimensioniert und konstruiert werden muß unter Berücksichtigung der festgelegten Anforderungen hinsichtlich seines Montageraumes in dem Fahrzeug, seiner Kosten, seines Gewichtes und ähnlicher Faktoren.
Das Patentdokument US-A-4673058 stellt einen Autoschalldämpfer vor, der eine Niedrigfrequenzabstimmkammer und eine Hochfrequenzabstimmkammer aufweist, wobei die letztere mit einem geräuschabsorbierenden Material gefüllt ist.
Das Patentdokument US-A-5025890 stellt des weiteren eine Motorabgasvorrichtung vor, die zwei Auslaßrohre aufweist und die so angeordnet ist, dass die Frequenzhöhe eines Hochfrequenzgeräusches gesenkt wird und ebenso ein nichtoffensiver, komfortabler und sportlicher "Sound" speziell in einem niedrigen oder mittleren Frequenzbereich erzeugt wird.
Das Patentdokument US-A-3393160 stellt des weiteren einen Schalldämpfer vor, der mit einem Auslaßrohr ausgestattet ist, das eine Reihe von Auslaßöffnungen aufweist.
Offenlegung der Erfindung
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Schalldämpfereinheit eines Kraftfahrzeugs zu schaffen, die aus Komfortgründen einen hohen Grad an Dämpfung hinsichtlich eines Niedrigfrequenzgeräusches vorsieht, während zur gleichen Zeit unter Beachtung existierender gesetzlicher Auflagen die Schalldämpfereinheit eine hohe Absorption eines Hochfrequenzgeräusches vorsieht. Dies wird durch eine Schalldämpfereinheit erreicht, deren Merkmale in dem angehängten Anspruch 1 beschrieben sind.
Die Erfindung besteht aus einer Schalldämpfereinheit eines Kraftfahrzeugs zur Unterdrückung eines unerwünschten Geräusches, das aus der Abgasströmung von dem Fahrzeugmotor stammt. Entsprechend der Erfindung endet die Schalldämpfereinheit mit einem Endrohr, durch das der Abgasstrom der Umgebung zugeleitet wird. Das Endrohr weist wenigstens einen perforierten Abschnitt auf, der eine bestimmte Erstreckung in der Längsrichtung des Endrohrs aufweist und der abstromseitig an einem Punkt längs des Endrohres positioniert ist, an dem es im wesentlichen keine Turbulenz in der Abgasströmung gibt. Durch die Erfindung wird eine starke Unterdrückung eines Niedrigfrequenzgeräusches genauso wie eine gute Absorption eines Hochfrequenzgeräusches erreicht. Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass diese ein passives Geräuschdämpfsystem vorsieht, das einfach, robust und kosteneffektiv ist.
Entsprechend dem Stand der Technik gibt es allgemein eine maximal zulässige Länge für ein Endrohr. Ist das Endrohr zu lang hergestellt (was erforderlich sein mag zur Unterdrückung eines Niedrigfrequenzgeräusches), besteht ein Risiko, dass Resonanz auftritt. Dies kann zur Erzeugung von hörbaren Tönen führen, die natürlich einen Nachteil darstellen. Entsprechend der vorliegenden Erfindung kann jedoch eine derartige maximale Länge ohne Erzeugung unerwünschter Töne überschritten werden, was einen weiterer Vorteil der Erfindung darstellt.
Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den untergeordneten abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Beschreibung von Zeichnungen
Es zeigen:
1 im Prinzip eine Seitenansicht, teilweise im Querschnitt, einer Schalldämpfereinheit, in der die vorliegende Erfindung Verwendung finden kann, und
2 ein Endrohr, das entsprechend der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist.
Eine bevorzugte Ausführung
1 zeigt eine Seitenansicht, teilweise im Querschnitt, einer Schalldämpfereinheit 1 nach der vorliegenden Erfindung. Gemäß einer bevorzugten Ausführung wird die Schalldämpfereinheit 1 in einem Kraftfahrzeug vorzugsweise, jedoch nicht ausschließlich, in einem Personenkraftwagen verwendet. Die Schalldämpfereinheit 1 hat die Funktion, einen Abgasstrom von einem Verbrennungsmotor (nicht gezeigt) des betreffenden Fahrzeugs in die Umgebung des Fahrzeugs zu transportieren und ist bis zu diesem Ende mit einem Einlaß 2 ausgestattet, zu dem die Abgase von der Maschine strömen. Von dem Einlaß 2 werden die Abgase zu einer Kammer 3 und weiter zu einem gekrümmten Abschnitt 4 über einen geraden rohrförmigen Abschnitt 5 transportiert. Die Strömungsrichtung des Abgases ist durch Pfeile in 1 dargestellt.
Der gekrümmte Abschnitt 4 führt zu einem Endrohr 6, das vorzugsweise zylindrisch und gerade ist und sich durch die Kammer 3 erstreckt. Mittels des Endrohres 6 werden die Abgase in die Umgebung transportiert, wobei dies vorzugsweise über einen weiteren Rohrabschnitt 7 geschieht, der an dem Endrohr 6 befestigt ist und in bekannter Art und Weise so zu positionieren ist, dass es am hinteren Endbereich des Fahrzeugs herauskommt.
Somit bildet das Endrohr 6 zusammen mit dem weiteren Rohrabschnitt 7 einen im wesentlichen geraden, rohrförmigen Endabschnitt des vorliegenden Abgassystems.
Entsprechend der Ausführung ist das Endrohr 6 zu mindestens teilweise von einem schallabsorbierenden Material 8, vorzugsweise in Form von Mineralwolle oder einem vergleichbaren Schallabsorbtionsmittel, umgeben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführung beschränkt, kann jedoch im Prinzip auch mit dem von Luft umgebenen Endrohr 6 konfiguriert sein.
Im Hinblick auf das, was detailliert im folgenden beschrieben wird, ist das Endrohr 6 nach der Ausführung mit einem perforierten Abschnitt 6a ausgestattet, wobei es sich um einen Abschnitt handelt, der mit einer grossen Zahl von relativ kleinen Löchern 9 ausgestattet ist, die längs eines Abschnitts der Umfangsfläche des Endrohrs 6 hergestellt sind. Der perforierte Abschnitt 6a erstreckt sich längs eines bestimmten Abschnitts der totalen Länge des Endrohres 6. Durch die Konfiguration der Schalldämpfereinheit 1 nach der Erfindung wird eine Unterdrückung des unerwünschten Geräusches erreicht, das aufgrund des Abgasstromes durch das Abgassystem auftritt. In diesem Zusammenhang sollte bemerkt werden, dass die Erfindung darauf basiert, eine hohe Unterdrückung eines Niedrigfrequenzgeräusches durch eine geeignete Anpassung der jeweiligen Längen des Endrohres 6 und des perforierten Abschnittes 6a zu erreichen, während zur selben Zeit eine hohe Absorption eines Hochfrequenzgeräusches mittels des perforierten Abschnittes 6a erhalten wird. Gemäß der Erfindung wird folglich eine Schalldämpfung über einen weiten Bereich von Frequenzen erreicht.
2 zeigt eine etwas vergrößerte Seitenansicht des Endrohres 6, aus der man entnehmen kann, dass das Endrohr 6 eine vorbestimmte Gesamtlänge L₁ hat, die so beschrieben werden kann, dass sie von dem Punkt, an dem das Rohrende mit dem gekrümmten Abschnitt 4 (vergleiche 1) verbunden ist, bis hin zu dem weiteren Rohrabschnitt 7, der das Abgassystem beendet, definiert ist. Die Länge L₁ wird in Abhängigkeit unter anderem des Fahrzeugstyps und eines in Frage kommenden Motortyps ausgesucht, um eine hohe Geräuschunterdrückung von der Abgasströmung bei relativ geringen Frequenzen zu schaffen. Der perforierte Abschnitt 6a ist mit einer Verlängerung oder Länge L₂ in Längsrichtung des Endrohres 6 ausgelegt, die einen bestimmten Abschnitt der Gesamtlänge L₁ des Endrohres 6 darstellt. Des weiteren erstreckt sich die Perforation vorzugsweise um den gesamten Umfang des Endrohres 6. Der perforierte Abschnitt 6a ist des weiteren so positioniert, dass er sich von einem Punkt längs des Endrohres 6, der mit einem vorbestimmten Abstand L₃ von der Verbindung des Endrohres 5 bis zu dem gekrümmten Abschnitt 4 positioniert ist, d. h., gemessen von dem stromaufwärtsseitigen Endabschnitt des Endrohres 6. Der zuletzt genannte Abstand L₃ wird vorzugsweise so ausgesucht, dass er dem Abstand zwischen dem stromaufwärtsseitigen Endabschnitt und dem stromabwärtsseitigen Punkt längs des Endrohres 6 entspricht, an dem die turbulente Strömung, die in den Abgasen durch den gekrümmten Abschnitt 4 herrscht (und aufgrund der gekrümmten Rohrabschnitte, Ablenkungen und Bereichveränderungen innerhalb der Schalldämpfereinheit 1 erzeugt worden sind), im wesentlichen aufgehört hat und in dem Endrohr 6 in eine nichtturbulente Strömung umgeformt worden ist.
In einer normalen Anwendung kann die Länge L₁ des Endrohres 6 in der Größenordnung von 250–300 mm liegen, wohingegen der Abstand L₃ zwischen der Verbindung des Endrohres 6 mit dem gekrümmten Abschnitt 4 und dem perforierten Abschnitt 6a gemäß der Erfindung in der Größenordnung von 70–100 mm liegen wird. Ein Grundprinzip der Erfindung liegt jedoch darin, dass der zuletzt genannte Abstand L₃ so ausgesucht wird, dass es im wesentlichen keine turbulente Strömung in dem Endrohr 6 an einem bestimmten Punkt geben wird, von dem sich der perforierte Abschnitt 6a erstreckt.
Die Löcher 9 sind vorzugsweise in einem regelmäßigen Muster angeordnet, wie dies entsprechend in 2 gezeigt ist, und sind derartig konfiguriert, dass jedes Loch 9 einen Durchmesser aufweist, der so bestimmt ist, dass die hochfrequente Energie von dem Abgasstrom abgezogen und zu Wärme durch die Reibung mit dem absorbierenden Material 8 verwandelt werden kann, das den perforierten Abschnitt 6a umschließt. Auf diese Weise wird eine effiziente Absorption eines hochfrequenten Geräusches erreicht. Bei einer normalen Anwendung beträgt die Größe der Löcher 9 vorzugsweise die Größenordnung von 3–5 mm, eher noch vorzugsweise 3,5 mm. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Löchern ist vorzugsweise in der Größenordnung von 3–8 mm, am besten um 5–6 mm.
Wie oben bereits diskutiert, entspricht die Länge L₂ des perforierten Abschnitts 6a des Rohrendes 6 einem bestimmten Abschnitt der gesamten Länge L₁ des Endrohres 6. Die Länge L₂ des perforierten Abschnitts 6a ist insbesondere als eine Balance zwischen der Anforderung zur Unterdrückung bei relativ niedrigen Frequenzen und der Anforderung zur Unterdrückung bei relativ hohen Frequenzen festgelegt. Je länger der perforierte Abschnitt 6a ist, desto schlechter wird die Niedrigfrequenzunterdrückung sein und je kürzer der Abschnitt ist, desto schlechter wird die Hochfrequenzabsorption sein. Die Erfindung basiert auf dem Prinzip, dass die Länge L₂ nach einem Wert ausgesucht wird, der den Bedingungen entspricht, um die vorbestimmten Anforderungen zur komfortausgerichteten Niedrigfrequenzunterdrückung sowie vorgeschriebene Anforderungen für eine Hochfrequenzabsorption zu erfüllen.
In einer bevorzugten Ausführung ist die Länge L₂ des perforierten Abschnitts 6a bei etwa 10–20% der gesamten Länge L₁ des Endrohres 6 ausgewählt. Bei normaler Anwendung, wo die Länge des Endrohres 6 in der Größenordnung von 250–300 mm, würde die Länge L₂ des perforierten Abschnitts 6a würde in der Größenordnung von 25–60 mm, insbesondere um 35–45 mm liegen.
Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführung begrenzt, kann aber innerhalb des Umfangs der angehängten Ansprüche variiert werden. So kann die Erfindung z. B. im Prinzip in Personenkraftwagen, Bussen und Lastkraftwagen verwendet werden. Nebenbei können die Dimensionen z. B. des Endrohres 6 und der Rest der Schalldämpfereinheit 1 variieren, wie sie durch verschiedene Faktoren, beispielsweise der gängige Motortyp, die berechnete Strömungsmasse des Abgases und durch den zur Verfügung stehenden Montageraum beeinflusst werden. Im allgemeinen kann z. B. festgestellt werden, dass der Durchmesser des Endrohres 6 ausreichend groß sein muß, um den erwarteten Massenstrom von Abgasen von dem betreffenden Motor zuzulassen. Des weiteren könnte der Querschnitt des Endrohres 6 kreisförmig oder alternativ oval oder von einer anderen geeigneten Form sein.
Die Erfindung ist nicht auf den Typ einer Schalldämpfereinheit nach 1 beschränkt, sondern kann in anderen Konfigurationen und Typen von Dämpfern verwendet werden.
Des weiteren kann der perforierte Abschnitt um die gesamte Umfangsfläche des Endrohres oder alternativ längs eines Abschnitts der Umfangsfläche positioniert sein.
Nach einer alternativen Ausführung kann das Endrohr nach der Erfindung mit zwei oder mehreren kleinen perforierten Abschnitten ausgebildet sein, anstatt eines größeren perforierten Abschnitts (wie oben beschrieben). Entsprechend dieser alternativen Ausführung wird die totale Länge oder die Erstreckung der perforierten Abschnitte auch nach einem Wert ausgewählt, der der Bedingung entspricht, vorbestimmte Grenzwerte hinsichtlich einer Unterdrückung des von dem Abgasstrom ausgehenden Geräusches bei relativ niedrigen Frequenzen als auch hohen Frequenzen zu erfüllen.

Claims

Schalldämpfereinheit (1) eines Kraftfahrzeugs zur Unterdrückung eines ungewünschten Geräusches, das aus der Abgasströmung von dem Fahrzeugmotor stammt, wobei die Schalldämpfereinheit mit einem Endrohr (6) endet, durch das die Abgasströmung zur Umgebung transportiert wird, wobei das Endrohr (6) wenigstens einen perforierten Abschnitt (6a) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das stromaufseitige Ende des Endrohrs (6) mit einem gekrümmten rohrförmigen Abschnitt (4) verbunden ist, dass der perforierte Abschnitt eine Erstreckung (L₂) in der Längsrichtung des Endrohrs (6) aufweist und stromabwärts einer Stelle längs des Endrohrs (6) positioniert ist, die um eine Entfernung (L₃) von dem stromaufseitigen Ende des Endrohrs (6) angeordnet ist, wobei die Entfernung (L₃) in der Größenordnung von 70 bis 100 mm liegt, wobei an dem Punkt im wesentlichen keine Turbulenz in der Abgasströmung vorliegt, wobei die Länge (L₁) des Endrohrs (6) in der Größenordnung von 250 bis 300 mm liegt, und dass der perforierte Abschnitt (6a) eine Länge (L₂) besitzt, die 10 bis 20% der Gesamtlänge (L₁) des Endrohrs (6) beträgt und die mit einem Wert korrespondiert, bei dem Grenzwerte bezüglich der Unterdrückung relativ niedriger Frequenzen in der Größenordnung von 50 bis 70 Hz sowie bei relativ hohen Frequenzen in der Größenordnung von 150 bis 200 Hz bei dem Geräusch erfüllt werden, wobei der perforierte Abschnitt (6a) ein Muster von Löchern (9) aufweist, das derart angeordnet ist, dass es hochfrequentes Geräusch absorbiert.
Schalldämpfereinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der perforierte Abschnitt (6a) zahlreiche hergestellte Löcher (9) aufweist, die einen Durchmesser in der Größenordnung von 3 bis 5 mm besitzen und in einer wechselseitigen Beabstandung zwischen benachbarten Löchern in der Größenordnung von 3 bis 8 mm angeordnet sind.
Schalldämpfereinheit (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gekrümmte rohrförmige Abschnitt (4) mit einem graden rohrförmigen Abschnitt (5) verbunden ist, welcher stromabwärts von dem gekrümmten rohrförmigen Abschnitt (4) angeordnet ist.
Schalldämpfereinheit (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der perforierte Abschnitt (6a) sich längs eines Abschnitts der Umfangsfläche des Endrohrs (6) erstreckt.
Fahrzeug mit einer Schalldämpfereinheit (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche.