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Verfahren zur Dämpfung des Auspuffschalls an Brennkraftmaschinen,
insbesondere bei Flugmotoren, und Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dämpfung des Auspuffschalls an Brennkraftmaschinen,
insbesondere bei Flugmotoren, und eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
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Für den Entwicklungsstand der Auspuffschall-bzw. Ansauggeräuschdämpfung
sind folgende Methoden der Dämpfung kennzeichnend: Die Dämpfung des Schalls durch
Verwirbelung des schallerregenden Gasstromes in sog. Labyrinth-Schalldämpfern, die
Dämpfung des Schalls durch Interferenz der Schallwellen durch Verzweigen und Wiedervereinigen
der gasführenden Leitungen und schließlich die Schalldämpfung :durch im Abgasweg
hintereinandergeschaltete akustische Filter. Die genannten Dämpfungsmerhoden setzen
mit wachsender Leistung der Motoren Dämpfungsaggregate von beträchtlichem Umfang
und Gewicht voraus, so daß trotz der auf diesem Gebiet sehr zahlreich vorhandenen
Neuheiten von einer fröntmäßigen Verwendung der nach den bekannten Methoden wirkenden
Schalldämpfer bei Flugmotoren bisher abgesehen worden. ist. Die vorliegende Erfindung
geht von der Erkenntnis aus, daß die Dämpfung von Schallwellen in der Atmosphäre
etwa verlhältig ist dem Quadrat der Schallfrequenz. Anders ausgedrückt heißt das,
die Reichweite von Schallwellen an sich gleicher Intensität nimmt mit dem Quadrat
der Schallfrequenz ab. Die in der
Regel sehr tiefe, beispielsweise
zwischen 40 und bo Hz liegende Motorgrundfrequenz von Flugmotoren läßt also die
Feststellung von Motorgeräuschen bei Flugzeugen bereits auf sehr große Entfernungen
zu.
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Die Erfindung besteht nun darin, daß die Abgase zur Erzeugung von
Schallschwingungen hoher Frequenz, vorzugsweise in einen Luftstrahlschallgeber,
verwendet werden, und zwar wird die niederfrequente Motorgrundfrequenz in Schallschwingungen
vorzugsweise des oberen Hörbereichs, gegebenenfalls in solche des niederen Ultraschallgebiets
verwandelt.
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Im Sinne der Erfindung werden die Abgase beispielsweise unmittelbar
hinter dem Auslaßventil in einen doppelzylindrischem, ringförmigen Resonator eingeleitet.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus -der folgenden Beschreibung
einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders geeigneten Einrichtung
und einiger weiterer Ausführungsbeispiele hiervon.
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In der Zeichnung zeigt Abb. z die Düse eins Luftstrahlschallgebers
in Strömungsrichtung gesehen, Abb. 2 einen - Schnitt nach der Linie A-B der Abb.
z, Abb.3 den Resonator desselben Schallgebers ebenfalls in Strömungsrichtung gesehen,
Abb.4 einen Schnitt nach der Linie C-D der Abb. 3, Abb. 5 - die Anordnung .eines
durch eine Düse und einen Resonator im Sinne der Abb. z bis 4 gebildeten Schallgebers
in etwas vereinfachter und gegenüber den vorhergehenden Abbildungen verkleinerter
Form am Zylinderkopf einer Kolbenbrennkraftmaschine im Längsschnitt, Abb.6 und 7
weitere Ausführungsformen von zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
geeigneten Einrichtungen.
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Die Durchführung des oben kurz umrissenen Verfahrens zur Schalldämpfung
setzt einen geeigneten Schallgeber voraus. Der an sich zur Erzeugung von Schall
in Gasen sehr brauchbare, von J. Hartmann entwickelte Luftstrahlschallgeber kann
zwar grundsätzlich auch im vorliegendenFalle Verwendung finden. Die im Auslaß des
Motors vorgegebenen Querschnitts- und Strömungsverhältnisse lassen jedoch die Anwendung
einer anderen, auf dem Prinzip des Hartmannschen Schallgebers aufbauenden Form des
Luftstrahlschallgebers ratsam erscheinen. Die Wahl eines Luftstrahlschallgebers
der nachstehend beschriebenen Art wird sich vor allem in den Fällen, wo der Abgasstutzen
gleichzeitig als Rückstoßdüse ausgebildet ist, nicht umgehen lassen.
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In der Zeichnung stellt ro eine in ihren äußeren Abmessungen den Anschlußmassen
des nicht dargestellten Auspuffflansches angepaßte, zweiseitig symmetrische, als
BlechpreZteil ausgebildete Doppeldüse dar. Der äußere Rand der Düse ist an mehreren
Stellen z r flanschartig verbreitert und zwecks Befestigung der Düse am Auspuffflansch
mit Schraubenlöchern 12 versehen,. Jeder der beiden Düsenöffnungen 13, x4 .erhält
durch'gleichfalls als Blechpreßteile ausgebildete Strömungskörper 15 bzw. 16, welche
durch Stempel 17 bzw. 18 mit einem Resonator zg fest verbunden sind,
eine ringartige Form. Durch. konzentrisch zu den Strömungskörpern 15, 16 angeordnete,
an diesen durch einen Speichenstern 2,1 bzw. 22 befestigte Zylinder werden die Düsenöffnungen
13, 14 noch einmal hälftig geteilt. Die Unterteilung der Düsenöffnung kann
in dem beschriebenen Sinne mehrfach vorgenommen werden, j e nach der angestrebten
Erhöhung der Schallfrequenz. Der Resonator Z9 besteht im wesentlichen aus mehreren
konzentrischen, im Querschnitt den Düsen6ffnungen 13, 14 genau entsprechenden ringzylindrischen
Hohlräumen 23, 24. bzw. 25, 26, die auf der der Düse abgewendeten Seite 27 durch
einen Boden 2$ bzw. 29 abgeschlossen sind. Die zur Halterung der Strömungskörper
15, 16 dienenden Stempel 17, 18 sind durch je einen Speichenstern 3-o bzw. 3 i mit
dem Boden 28 bzw. 29 verbunden. Eine die einzelnen Teile des Resonators rg zusammenfassende,
parallel zur Strömungsrichtung angeordnete Querwand 32 und zwei senkrecht zu dieser
angeordnete Querwände 33 bzw. 34 sind mit zwei viertelkreisförmigen bzw. einem weiteren
ebenen, an der Wandung des Abgasstutzens satt anliegenden, mit abgebogenen Rändern
35, 3'6 bzw. 37 versehenen Befestigungsstegen 38, 39 bzw. 4o durch Schweißen
verbunden. Die Ränder 35 bis 37 der Befestigungsstege sind durch je einen Flansch
44 42 bzw. 43 verbreitert. -In den Flanschen 41 bis 43 sind Schraubenlöcher 44,
45 bzw. 46 angeordnet. Zusammenbau und Anordnung des aus Düse und Resonator bestehenden
Schallgebers gehen gemäß Abb. 5 wie folgt vor sich: Der Düsenkörper 5o und der Resonator
5 r wer- ' den nacheinander mit ihren kongruenten Befestigungsflanschen 52 hzw.
53 auf im Zylinderkopf 54 verschraubte Stiftschrauben 55 aufgeschoben und zwischen
dem Auspuffflansch 56 und dem Zylinderkopf 54 durch Anziehen der Muttern 57 verklemmt.
Die Befestigungsstege 58, 59 des Resonators liegen satt an dem Abgasstutzen 6o an.
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Die die Düse 5o in Richtung des Pfeiles 61 durchströmenden Abgase
erzeugen in dem ringzylindrischen Hohlraum 62 des Resonators 51 intensive hochfrequente
Schallschwingungen, deren Wellenlänge durch die Abmessungen und den gegenseitigen
Abstand von Düse und Resonator bestimmt werden. Von dem Hohlraum 62 vermögen die
Abgase allseitig in Strömungsrichtung abzuströmen, Die ursprünglich pulsierende
Abgasströmung wird hierbei in eine praktisch stoßfreie Strömung übergeführt, was
sich hinsichtlich der Ausnutzung der in den Abgasen enthaltenen Restenergie für
die Erzeugung von Rückstoß sehr vorteilhaft .
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auswirkt. Soweit noch erforderlich, ist eine Verbesserung der Strömung
durch Ausbildung der Düse als Lavaldüse ohne weiteres möglich.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Abb.6 dient das Ende 63 des Abgasstutzens
64 in Verbindung i mit dem am Resonator 65 befestigten Strömungskörper
66
als Düse, wobei die Abgase von dem Hohlraum 67 des mit dem Abgassammelrohr 68 durch
einen Speichenstern 69 verbundenen Resonators 65 in das Abgassammelro'hr entweichen
können. Das Ausführungsbeipiel nach Abb. 7 stellt eine sinngemäße Abwandlung .der
in den Abb. 5 und 6 gezeigten Ausführungen dar. In diesem Falle wird die Düse durch
dieAuslaßleitung 70 des Zylinderkopfes 71 und einen mit dem am Zylinderkopf 71 befestigten
Resonator 72 verbundenen Strömungskörper 73 gebildet. Der Abgasstutzen 74 ist im
Bereich des Resonators 72 geringfügig auf-.gebaucht.
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Die von den Abgasen: beaufschlagten Teile des Schallgebers werden
zweckmäßig mit einer hochschmelzenden Emaille versehen. Unter Umständen werden nur
die zur Halterung bestimmten Teile des Schallgebers aus Metall, die übrigen Teile
dagegen aus keramischem Werkstoff hergestellt.
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Das zweckmäßig mit-Schallgebern der vorstehend beschriebenen Art durchzuführende
Verfahren zur Auspuffschalldämpfung unterscheidet sich von den bekannten Verfahren
grundsätzlich dadurch, .daß die Dämpfung des Schalls nicht durch Energievernichtung,
sondern durch eine Frequenzerhöhung und damit eine Energieumwandlung bewirkt wird.
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Gegenüber bekannten Auspuffschalldämpfern zeichnen sich die zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens angegebenen Schallgeber durch denkbar kleine Abmessungen
und, vor allem bei Heranziehung von keramischem Werkstoff zur Herstellung derselben,
durch unverhältnismäßig geringes Gewicht aus. Die äußeren Abmessungen eines mit
Schallgebern zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgerüsteten Flugmotors
erfahren beispielsweise überhaupt keine Veränderung, wod'urc'h die Möglichkeit besteht,
die Erfindung nachträglich bei Motoren jeder Type anzuwenden. Es ist einleuchtend,
daß das vorstehend beschriebene Verfahren zur Auspuffschalldämpfung nicht auf die
Anwendung bei Flugmotoren beschränkt ist, sondern bei Kraftfahrzeugmotoren oder
ortsfesten Brennkraftmaschinen aller Art mit Vorteil angewendet werden kann.
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Ob man sich mit einer Vervielfachung der an sich durch die Motorgrundfrequenz
gegebenen Frequenz des Auspuffschalls bis zu Frequenzen des oberen Hörbereichs begnügt
oder es vorzieht, Frequenzen des niederenUltraschällgebiets zu erzeugen, ist von
Fall zu Fall zu entscheiden. In beiden Fällen kann, beispielsweise bei Anordnung
des Schallgebers am Ende des Abgassammelrohres, wo also die Abgase bei Flugmotoren
unter Umständen schon beträchtlich mit Frischluft vermischt und gekühlt sind, durch
Koagulierung und Ausfüllung der durch den verfestigten Wasserdampfanteil der Abgase
entstehenden Eiskristalle eine Vernichtung der Kondensstreifen als willkommene Nebenwirkung
verbucht werden.