EP1456513A1

EP1456513A1 - Vorrichtung und verfahren zur schalldämpfung im abgassystem einer verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: EP1456513A1
Application number: EP02793006A
Authority: EP
Inventors: Rolf BRÜCK
Original assignee: Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Current assignee: Vitesco Technologies Lohmar Verwaltungs GmbH
Priority date: 2001-12-17
Filing date: 2002-12-13
Publication date: 2004-09-15
Anticipated expiration: 2022-12-13
Also published as: RU2004122121A; DE50203705D1; DE10162161A1; ES2245416T3; RU2292468C2; WO2003052243A1; JP4255380B2; US7582266B2; EP1456513B1; JP2005513317A; CN1317492C; KR100909506B1; CN1604989A; KR20040068590A; AU2002358702A1; US20040208803A1

Abstract

Wabenkörper (1) für ein Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Wabenkörper (1) im wesentlichen voneinander getrennte von Abgas (3) durchströmbare Kanäle (5, 8) und eine axiale Länge (L) aufweist. Der Wabenkörper (1) weist mindestens eine erste Teilmenge Kanäle (5) und eine zweite Teilmenge Kanäle (8) auf. Zumindest die Querschnittsflächen (6, 7, 9, 10) einer der beiden Teilmengen Kanäle (5, 8) ändern sich über die axiale Länge (L) des Wabenkörpers, so dass die Laufzeit des Abgases (3) in den verschiedenen Teilmengen Kanäle (5, 8) unterschiedlich ist. Dieser Laufzeitunterschied zwischen dem Abgas (3) in den verschiedenen Teilmengen Kanäle (5, 8) kann besonders vorteilhaft zur Dämpfung von Schallwellen einer oder mehrerer Wellenlängen benutzt werden, so dass in vorteilhafter Weise eine Schalldämpfung in Abgassystemen mit Wabenkörpern zur Abgasreinigung ohne zusätzliche bauliche Komponenten im Abgassystem erreicht wird.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Schalldampfung im Abgassystem einer

Verbrennungskraftmaschine

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Schalldämpfung im Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine. Eine solche Vorrichtung dient beispielsweise zur Dämpfung einer oder mehrerer für die Verbrennungskraftmaschine oder ein beispielsweise damit betriebenes Automobil besonders kritischen Fre- quenzen.

Im Automobilbau sind zahlreiche Vorrichtungen und Verfahren zur Schalldampfung bekannt. Hierbei ist es oftmals nötig, besonders kritische Frequenzen, die z. B. zu Resonanzen in Teilen des Automobils führen, zu dämpfen. Hierzu werden teilweise sehr aufwendige bauliche Maßnahmen getroffen. Insbesondere werden oftmals zusätzliche Bauteile benötigt.

Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, in Abgassystemen von Verbrennungsmotoren mit Wabenkörpern zur Abgasreinigung im wesentlichen ohne zusätzliche Komponenten eine Schalldämpfung, insbesondere für besonders kritische Frequenzen, zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Wabenkörper gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein Abgassystem gemäß den Merkmalen des Anspruchs 5 und ein Verfahren zur Schalldämpfung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen, die einzeln oder in Kombination auftreten können, sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Eine grundsätzliche Bauweise solcher Wabenkörper ist zum Beispiel aus der EP 0245 737 Bl oder der EP 0430945 Bl bekannt. Die Erfindung lässt sich aber auch in anderen Bauformen, z. B. spiralig gewickelten Bauformen, verwirklichen.

Auch sind in einer Richtung konische Bauformen zum Beispiel aus der WO 99/56010 bekannt. Die für Wabenkörper bekannten Herstellungsverfahren lassen sich auch für die vorliegende Erfindung anwenden. Neuere Entwicklungen betreffend die Zellgeometrie haben den Einsatz von MikroStrukturen in den Kanalwänden hervorgebracht, wie sie beispielsweise aus der WO 90/08249 und WO 99/31362 bekannt sind. Auch diese Entwicklungen lassen sich für die hier vorliegende Erfindung zusätzlich anwenden. Generell sind bekannte Maßnahmen zur Herstellung oder Verbesserung der Effektivität solcher Wabenkörper auch auf die vorliegende Erfindung anwendbar.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Schalldämpfung in einem Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine umfasst einen derartigen Wabenkörper. Der Wabenkörper hat eine axiale Länge und weist im wesentlichen voneinander getrennte, von Abgas durchströmbare Kanäle auf. Die Kanäle gliedern sich in mindestens eine erste Teilmenge Kanäle und eine zweite Teilmenge Kanäle. Zumin- dest die Querschnittsflächen einer der beiden Teilmengen Kanäle ändern sich so über die axiale Länge des Wabenkörpers, dass die Laufzeit des Abgases in den verschiedenen Teilmengen Kanäle unterschiedlich ist.

Es ist sinnvoll, zur Schalldämpfung im Abgassystem einer Verbrennungskraftma- schine einen Wabenkörper zu verwenden, da solche vielfach beispielsweise in Katalysatoren zur Abgasreinigung Verwendung finden und somit bereits im Abgassystem eines Automobils vorhanden sind. Dies ermöglicht die Schallreduktion im Abgassystem, ohne dass weitere Komponenten ins Abgassystem eingeführt werden müssten. Somit ist eine konstruktiv einfache und kostengünstige Möglich- keit zur Schalldämpfung gegeben.

In einem Kanal mit sich ändernder Querschnittsfläche verhält sich die Geschwindigkeit eines Gasstroms umgekehrt proportional zur Querschnittsfläche. Folglich verlangsamt sich der Gasstrom, wenn sich die Querschnittsfläche des Kanals über die axiale Länge des Wabenkörpers vergrößert. Umgekehrt beschleunigt der Gasstrom, wenn sich die Querschnittsfläche des Kanals über die axiale Länge des Wabenkörpers verkleinert. Erfindungsgemäß wird ein in den Wabenkörper eintre- tender Abgasstrom in zumindest zwei Teilmengen Abgas getrennt, die jeweils eine Teilmenge Kanäle durchströmen. Wenn der Wabenkörper eine axiale Länge L in einer Hauptströmungsrichtung z aufweist, lässt sich die Laufzeit t(L) eines Gases mit einer Geschwindigkeit v, die abhängig von z ist, berechnen wie folgt:

Da also die Geschwindigkeitsfunktion v(z) durch die Änderung der Querschnittsfläche des Kanals beeinflussbar ist und die Laufzeit eines Gases durch einen Kanal abhängig ist von einerseits der Länge des Kanals und andererseits von der im Kanal geltenden Geschwindigkeitsfunlction, ist die Laufzeit eines Abgases in einem Kanal sehr genau justierbar.

Angewendet auf die beiden Teilmengen Kanäle ergibt sich nun die erfindungsge- mäße Möglichkeit, einen Laufzeitunterschied zwischen den die beiden Teilmengen Kanäle durchströmenden Teilmengen Abgas herzustellen. Ist das Abgas Träger von Schallwellen, so kann man über diesen Laufzeitunterschied einen Phasenunterschied zwischen den Schallwellen in den beiden Teilmengen Kanäle herbeiführen. Bei entsprechender Wahl des Laufzeitunterschiedes führt dies zu einer Dämpfung von Schallwellen einer bestimmten Wellenlänge.

Möchte man Schallwellen einer Wellenlänge λ, einer Phasengeschwindigkeit c und einer Kreisfrequenz ω dämpfen, so wählt man bevorzugt als Laufzeitunterschied zwischen einer Laufzeit t_j der ersten Teilmenge Abgas durch die erste Teilmenge Kanäle und einer Laufzeit t₂ der zweiten Teilmenge Abgas durch die zweite Teilmenge Kanäle

wobei n eine natürliche Zahl ist. Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung des Wabenkörpers besitzt die erste Teilmenge Kanäle jeweils eine erste Eingangsquerschnittsfläche und eine erste Ausgangsquerschnittsfläche und die zweite Teilmenge Kanäle über ihre axiale Länge jeweils eine zweite Eingangsquerschnittsfläche und eine zweite Ausgangsquerschnittsfläche. Erfϊndungsgemäß ist das Verhältnis der ersten Eingangsquerschnittsfläche zur ersten Ausgangsquerschnittsfläche ein anderes als das der zweiten Eingangsquerschnittsfläche zur zweiten Ausgangsquerschnittsfläche. In diesem Falle ändern sich also die Querschnittsflächen der ersten Teilmengen Kanäle und der zweiten Teilmenge Kanäle auf unterschiedliche Weise. Dies bedingt eine Geschwindigkeitsveränderung in beiden Teilmengen Abgas, die die beiden Teilmengen Kanäle durchströmen und folglich einen Laufzeitunterschied.

Gemäß einer noch weiteren vorteilhaften Ausführung des Wabenkörpers steigt die Querschnittsfläche zumindest einer Teilmenge Kanäle in Hauptströmungsrichtung z, bevorzugt steigt sie monoton und besonders bevorzugt streng monoton und/oder die Querschnittsfläche einer anderen Teilmenge Kanäle fällt in Hauptströmungsrichtung, bevorzugt fällt sie monoton und besonders bevorzugt streng monoton. Monoton heißt, dass durchaus ein Teil eines Kanals oder auch der ganze Kanal die gleiche Querschnittsfläche über die axiale Länge L aufweisen kann. Bei streng monotonen Verläufen ist dies nicht möglich, hier muss eine stetige Vergrößerung bzw. Verkleinerung der Querschnittsfläche über die axiale Länge vorliegen. Besonders bevorzugt ist eine noch weitere vorteilhafte Ausführung des Wabenkörpers, bei der sich zumindest eine Teilmenge Kanäle konisch erweitert und/oder zumindest eine weitere Teilmenge Kanäle sich konisch verengt. Folglich kann erfindungsgemäß eine erste Teilmenge Kanäle die Querschnittsfläche über die axiale Länge nicht verändern, während sich eine zweite Teilmenge konisch erweitert oder verengt, oder auch auf andere Art und Weise die Querschnittsfläche in Hauptströmungsrichtung z monoton steigt bzw. fällt. Erfindungsgemäß ist es auch möglich, dass sich eine erste Teilmenge Kanäle konisch erweitert, während sich eine zweite Teilmenge Kanäle konisch verengt. Dies gestattet einen sehr einfachen konstruktiven Aufbau eines erfindungsgemäßen Wabenkörpers. Gemäß einer noch weiteren vorteilhaften Ausführung des Wabenkörpers sind die Teilmengen Kanäle so gestaltet, dass verschiedene Teilmengen Kanäle unterschiedliche Integrale der Querschnittsflächen über die axiale Länge aufweisen. Dies ermöglicht es vorteilhafterweise, die Kanäle mit Kammern, Aufweitungen und Einengungen zu versehen und so unterschiedliche Anforderungen beispielsweise bezüglich der benötigten Druckverluste und Strömungsquerschnitte, sowie bauliche Gegebenheiten bzw. Einschränkungen zu berücksichtigen. Auch ist es möglich, bei relativ kurzen axialen Längen L große Laufzeitunterschiede herzu- stellen.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Konzept wird auch ein Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen. Dieses Abgassystem weist mindestens einen Wabenkörper auf, mit vom Abgas durchströmbaren Kanälen und einer axialen Länge. Ein Strömuhgsweg einer ersten Teilmenge des Abgases wird durch eine erste Teilmenge Kanäle gebildet und ein Strömungsweg für eine zweite Teilmenge des Abgases durch eine zweite Teilmenge Kanäle. Die Querschnitts- flächen mindestens einer der beiden Teilmengen Kanäle ändern sich über die axiale Länge des Wabenkörpers. Dies bedingt einen Laufzeitunterschied zwischen den beiden Teilmengen des Abgases. Auch hier lässt sich so durch eine entsprechende Dimensionierung der Teilmengen Kanäle eine Dämpfung zumindest einer Frequenz einer Schallwelle im Abgas herbeiführen. Besonders bevorzugt ist hierbei, dass die erste Teilmenge Kanäle jeweils eine erste Eingangsquerschnittsfläche und eine erste Ausgangsquerschnittsfläche und die zweite Teilmenge Kanäle je- weils eine zweite Eingangsquerschnittsfläche und eine zweite Ausgangsquerschnittsfläche aufweist und das Verhältnis von erster Eingangsquerschnittsfläche zur ersten Ausgangsquerschnittsfläche ein anderes ist als das der zweiten Eingangsquerschnittsfläche.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführung des Abgassystems steigt die Querschnittsfläche zumindest einer Teilmenge Kanäle in Hauptströmungsrichtung z, bevorzugt steigt sie monoton und besonders bevorzugt streng monoton und/oder fällt die Querschnittsfläche zumindest einer weiteren Teilmenge Kanäle in Hauptströmungsrichtung z, bevorzugt fällt sie monoton und besonders bevorzugt streng monoton. Monoton heißt hierbei, dass sich die Querschnittsfläche eines Teiles eines Kanals oder auch eines ganzen Kanals nicht ändern muss, es jedoch nicht vorkommen kann, dass sich beispielsweise ein Kanal zuerst erweitert um sich dann später wieder zu verengen. Streng monoton steigend heißt, dass bei jeder Koordinate z in Hauptströmungsrichtung andere Querschnittsflächen vorliegen, die mit steigender Koordinate z steigen, also eine stetige Vergrößerung stattfindet. Entsprechendes gilt für einen monoton oder streng monoton fallenden Verlauf. Besonders bevorzugt ist in diesem Zusammenhang eine vorteilhafte Ausführung des Abgassystems, bei der sich zumindest eine Teilmenge Kanäle des mindestens einen Wabenkörpers konisch erweitert und/oder zumindest eine weitere Teilmenge Kanäle sich konisch verengt. Somit ist es möglich, dass eine erste Teilmenge Kanäle sich konisch erweitert oder verengt, während eine zweite Teilmenge Kanale die Querschnittsfläche über die axiale Länge nicht ändert. Es ist auch möglich, dass sich eine erste Teilmenge Kanäle konisch erweitert, während sich eine zweite Teilmenge Kanäle konisch verengt. Dies gestattet vorteilhafterweise eine baulich einfache Konstruktion des Abgassystems. Es sind nicht nur konische Querschnittsflächenveränderungen in Hauptströmungsrichtung z möglich, sondern jede monotone Querschnittsflächenveränderung ist möglich und erfindungsgemäß.

Gemäß einer noch weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Abgassystems weisen unterschiedliche Teilsysteme Kanäle unterschiedliche Integrale der Querschnittsflächen über die axiale Länge L auf. Dies ermöglicht die Ausbildung von bei- spielsweise Kammern, Aufweitungen und Einengungen, mit denen zum Beispiel trotz bestehender konstruktiver Beschränkungen eine gute Schalldampfung erzielt werden kann.

Dem erfindungsgemäßen Konzept folgend wird weiterhin ein Verfahren zur Schalldärnpfung in einem Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen. Hierbei enthält das Abgassystem mindestens einen Wabenkörper der von Abgas durchströmbare Kanäle aufweist und eine axiale Länge besitzt. Eine erste Teilmenge des Abgases wird durch eine erste Teilmenge Kanäle geleitet und eine zweite Teilmenge des Abgases wird durch eine zweite Teilmenge Kanäle geleitet. Die Querschnittsflächen zumindest einer der beiden Teilmengen Kanäle ändert sich über die axiale Länge des Wabenkörpers, so dass eine Unterschied in der Laufzeit des Abgases in den verschiedenen Teilmengen Kanäle entsteht. Die Teilmengen des Abgases werden hinter dem mindestens einen Wabenkörper wieder zusammengeführt. Dieses Verfahren gestattet es erfmdungsgemäß, zumindest im Abgas vorhandene Schallwellen einer bestimmten Frequenz zu dämpfen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens besitzt die erste Teilmenge Kanäle jeweils eine erste Eingangsquerschnittsfläche und eine erste Ausgangsquerschnittsfläche während die zweite Teilmenge Kanäle jeweils eine zweite Eingangsquerschnittsfläche und eine zweite Ausgangsquerschnittsfläche aufweist. Das Verhältnis der ersten Eingangsquerschnittsfläche zur ersten Ausgangs- querschnittsfläche ist ein anderes als das der zweiten Eingangsquerschnittsfläche zur zweiten Ausgangsquerschnittsfläche., Besonders vorteilhaft ist es hierbei, dass die Querschnittsfläche zumindest einer Teilmenge Kanäle in Hauptströmungsrichtung z steigt, bevorzugt monoton steigt und besonders bevorzugt streng monoton steigt, während die Querschnittsfläche einer weiteren Teilmenge Kanäle alternativ oder zusätzlich f llt, bevorzugt monoton und besonders bevorzugt streng monoton f llt. Dies gestattet in vorteilhaft einfacher Weise eine Durchführung des Verfahrens zur Schalldämpfung.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung des Verfahrens durchströmt das Abgas mindestens einen Wabenkörper, der zumindest eine Teilmenge Kanäle aufweist, die sich konisch erweitert und/oder zumindest eine weitere Teilmenge Kanäle, die sich konisch verengt. Dies vereinfacht die Berechnung und Justierung des Laufzeitunterschiedes.

Gemäß einer noch weiteren vorteilhaften Ausführung des Verfahrens durchströmt das Abgas verschiedene Teilmengen Kanäle, die ein unterschiedliches Integral der Querschnittsfläche über die axiale Länge aufweisen. Dies gestattet beispielsweise die Durchführung des Verfahrens zum Beispiel auch unter schwierigen geometrischen Verhältnissen und Einschränkungen.

Gemäß einer noch weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird der Laufzeitunterschied der Teilmengen des Abgases gerade so gewählt, dass bei Zusammenführung der mindestens zwei Teilmengen zumindest teilweise eine destruktive Interferenz für mindestens eine Frequenz vorliegt. Hierzu wird der Laufzeitunterschied zwischen der Laufzeit der ersten Teilmenge Abgas und der Laufzeit der zweiten Menge Abgas für Schallwellen der Kreisfrequenz ω, der Wellen- länge λ und der Phasengeschwindigkeit c genau so eingestellt, dass

2n+l Ä - \ =-

mit natürlichen Zahlen n gilt. Dies bedingt einen weiteren Phasenfaktor in der Wellengleichung, die dann für Amplituden A in der ersten Teilmenge Abgas und A₂ in der zweiten Teilmenge Abgas wie folgt darzustellen ist:

φ(z) = exp(ι ö#ι + ikz)[A_x + A₂ exp(- i(2n + l)π)) .

Die Amplituden A_x und A₂ sind über das Verhältnis einer ersten Eingangsquerschnittsfläche der ersten Teilmenge Kanäle zu der zweiten Eingangsquerschnittsfläche der zweiten Teilmenge Kanäle justierbar. Sind diese beiden Amplituden A und A₂ gerade gleich, so wird die Welle mit der Kreisfrequenz ω vollständig ausgelöscht. Es liegt destruktive Interferenz vor.

Sind die Amplituden A der ersten Teilmenge Abgas und A₂ der zweiten Teilmenge Abgas nicht identisch, so kommt es jedoch in jedem Fall zu einer Dämpfung der Schallwelle und entsprechender Oberwellen. Gemäß einer noch weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahren entsteht die destruktive Interferenz gerade für eine kritische Frequenz. Dies gestattet die Dämpfung von Frequenzen, die z.B. für die Verbrennungskraftmaschine selber oder auch für das von dieser angetriebene Automobil kritisch sind. Beispielsweise kann es sich hierbei um eine Frequenz handeln, bei der Resonanzeffekte auftreten. Diese sind im Regelfall unerwünscht, da sie eine erhöhte Materialbelastung darstellen.

Gemäß einer noch weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird der Laufzeitunterschied der Teilmengen des Abgases so gewählt, dass bei Zusammen- führung der mindestens zwei Teilmengen zumindest teilweise eine destruktive Interferenz für mindestens zwei Frequenzen vorliegt. Dies gestattet es vorteilhafter Weise, mehrere kritische Frequenzen zu dämpfen.

Weitere Vorteile und besonders bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert, wobei die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsforaien beschränkt ist. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Zeichnung des Kanalsystems eines erfindungsgemäßen Wabenkörpers;

Figur 2 einen Ausschnitt aus der stirnseitigen Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Wabenkörpers;

Figur 3 eine Welllage zur Herstellung des ersten Ausführungsbeispiels eines eines erfindungsgemäßen Wabenkörpers;

Figur 4 einen Ausschnitt aus der stirnseitigen Ansicht eines zweiten Ausfüh- rungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Wäbenkörpers und Figur 5 eine strukturierte Blechlage zur Herstellung des zweiten Ausführungsbeispiels eines erfϊndungsgemäßen Wabenkörpers.

Figur 1 zeigt einen Teil eines erfindungsgemäßen Wabenkörpers 1 im Längsschnitt in schematischer Darstellung. Durch eine Eingangsseite 2 strömt ein Abgasstrom 3 in den Wabenkörper 1 hinein und verlässt diesen durch eine Ausgangseite 4. Der Wabenkörper enthält zwei Teilmengen Kanäle, die sich durch die Veränderung der Kanalquerschnittsfläche über die axiale Länge der Kanäle L un- terscheiden. Die erste Teilmenge Kanäle besteht aus sich erweiternden Kanälen 5, die über einen der Eingangsseite 2 zugewandte erste Eingangsquerschnittsfläche 6 und eine größere erste Ausgangsquerschnittsfläche 7 verfügen, die der Ausgangseite 4 des Wabenkörpers 1 zugewandt ist. Die zweite Teilmenge Kanäle besteht aus sich verjüngenden Kanälen 8, die eine der Eingangsseite 2 zugewandte zweite Eingangsquerschnittsfläche 9 und eine kleinere zweite Ausgangsquerschnittsfläche 10, die der Ausgangseite 4 des Wabenkörpers 1 zugewandt ist, aufweisen. In diesem Beispiel entspricht einerseits die erste Eingangsquerschnittsfläche 6 der zweiten Ausgangsquerschnittsfläche 10 und andererseits die zweite Eingangsquerschnittsfläche 9 der ersten Ausgangsquerschnittsfläche 7. Somit ist das Ver- hältnis aus der ersten Eingangsquerschnittsfläche 6 und der ersten Ausgangsquerschnittsfläche 7 der Kehrwert des Verhältnisses aus der zweiten Eingangsquerschnittsfläche 9 und der zweiten Ausgangsquerschnittsfläche 10.

In jedem der Kanäle 5 und 8 erfolgt die Querschnittsflächenveränderung streng monoton. Die Anzahl der Kanäle in beiden Teilmengen Kanäle ist gleich groß. Eine erste Teilmenge Abgas durchströmt die erste Teilmenge Kanäle und eine aus der anderen Hälfte bestehende zweite Teilmenge Abgas die zweite Teilmenge Kanäle. In der Vermischungszone 11 stromabwärts der beiden Teilmengen Kanäle werden die beiden Teilmengen Abgas vermischt und verlassen den Wabenkörper 1 durch die Ausgangseite 4. Enthält nun der Abgasstrom 3 Schallwellen der Wellenlänge λ und der Phasengeschwindigkeit c, so wird sich im Regelfall die Intensität der Schallwellen beim Ausströmen durch die Ausgangseite 4 des Wabenkörpers 1 von der Intensität beim Einströmen in den Wabenkörper 1 unterscheiden. Jeder der beiden Teilgas- ströme ändert seine Geschwindigkeit durch die Änderung der Kanalquerschnittsflächen. Für das hier betrachtete Beispiel gilt für die Geschwindigkeit v des Gases in Hauptströmungsrichtung z ein invers-proportionaler Zusammenhang mit der durchströmten Querschnittsfläche. Folglich verlangsamt sich die erste Teilmenge Abgas in den sich erweiternden Kanälen 5, während sich die zweite Teilmenge Abgas in den sich verjüngenden Kanälen 8 beschleunigt. Für jede der beiden Teilmengen Abgas ändert sich die Geschwindigkeit kontinuierlich während des Durchströmens der beiden Teilmengen Kanäle. Für die Laufzeit t_j der ersten Teilmenge Abgas und die Laufzeit t₂ der zweiten Teilmenge Abgas gilt dann

L

1- 1ι/n2 — θv dz wobei für die beiden Teilmengen Abgas die Geschwindigkeitsfunktionen v(z) jeweils unterschiedlich sind. Das heißt, die erste Teilmenge Abgas benötigt für das Durchströmen der ersten Teilmenge Kanäle die Zeit t_x , die zweite Teilmenge Abgas für das Durchströmen der zweiten Teilmenge Kanäle die Zeit t₂. Gilt für den durch das Durchströmen der beiden Teilmengen Kanäle 5 und 8 erhaltene Laufzeitunterschied t —t₂ zwischen den beiden Teilmengen Abgas

I _ , _ 2n + l λ l'ι *") I ^■"—

^{I I 2|} 2 c mit einer ganzen Zahl n, so erhält man einen zusätzlichen Phasenfaktor. Die gesamte Wellengleichung lässt sich dann darstellen als

φ(z) = exp(iωt_x + ikz)[A_x + A₂ exρ(- i(2n + ϊ)π)]

wobei ω die Kreisfrequenz der Welle und A_x und A₂ die Amplituden der Wellen in der ersten und der zweiten Teilmenge Abgas angeben. Wird der Abgasstrom 3 in zwei gleiche Teilmengen Abgas aufgeteilt, gilt also A_X = A₂ , so löscht sich die Welle vollständig aus. Sind die Amplituden A_x der ersten Teilmenge Abgas und A₂ der zweiten Teilmenge Abgas nicht identisch, so kommt es in jedem Fall zu einer Dämpfung der Schallwelle mit der Wellenlänge λ und entsprechender O- berwellen. Diesen Umstand kann man dazu ausnutzen, im Abgasstrom 3 nicht nur Schallwellen einer Wellenlänge zu dämpfen, sondern vielmehr Schallwellen mehrerer Wellenlängen. Hierzu wird der Abgasstrom nicht nur durch zwei Teilmengen Kanäle geleitet, sondern durch entsprechend mehr Teilmengen, deren Kanäle entsprechend konzipiert sein müssen.

Figur 2 zeigt einen Ausschnitt einer stirnseitigen Ansicht auf die Eingangsseite 2 einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wabenkörpers 1. Dieser weist eine erste Teilmenge von sich erweiternden Kanälen 5 und eine zweite Teilmenge von sich verjüngenden Kanälen 8 auf. Die sich erweiternden Kanäle 5 weisen je- weils eine erste kleinere Eingangsquerschnittsfläche 6 auf, während die sich verjüngenden Kanäle 8 jeweils eine zweite größere Eingangsquerschnittsfläche 9 aufweisen. Die Querschnittsflächenänderung über die axiale Länge L des Wabenkörpers erfolgt in beiden Teilmengen Kanäle in diesem Ausführungsbeispiel streng monoton. Der Wabenkörper ist aus sich abwechselnden glatten Blechlagen 12 und gewellten Blechlagen 13 aufgebaut.

Ein Ausführungsbeispiel für eine gewellte Blechlage 13 zeigt Figur 3. Die Wellhöhe dieser gewellten Blechlage 13 verändert sich streng monoton in Richtung der Längsachse, was dazu führt, dass die Querschnittsfläche der durch die gewell- te Blechlage 13 mit einer benachbarten glatten Blechlage 12 gebildeten Kanäle sich streng monoton in Richtung der Längsachse ändert. Durch die Kombination mit einer benachbarten glatten Blechlage 12 entstehen einerseits Kanäle mit einer ersten Eingangsquerschnittsfläche 6 und andererseits Kanäle mit einer zweiten Eingangsquerschnittsfläche 9. Wird der Wabenkörper so aufgebaut, dass die einer glatten Blechlage 12 benachbarten gewellten Blechlagen 13 bezüglich der Mittelachse 14 jeweils um 180° gegeneinander gedreht eingebaut werden, so kann vorteilhafterweise ein zylindrischer Wabenkörper 1 aufgebaut werden, der sich erweiternde Kanäle 5 und sich verjüngende Kanäle 8 aufweist. Die sich erweiternden Kanäle 5 und die sich verjüngenden Kanäle 8 wechseln sich schichtweise ab, die Querschnittsfläche der sich erweiternden Kanäle 5 steigt streng monoton vom ersten Eingangsquerschnitt 6 zum ersten Ausgangsquerschnitt 7, während die Querschnittsfläche der sich verjüngenden Kanäle 8 streng monoton vom zweiten Eingangsquerschnitt 9 zum zweiten Ausgangsquerschnitt 10 fallt. Ein solcher Wabenkörper 1 verfügt vorteilhafterweise aufgrund seines schichtweisen Aufbaus aus abwechselnd sich erweiternden Kanälen 5 und sich verjüngenden Kanälen 8 über keine Vorzugsrichtung in Bezug auf seine Längsachse, so dass beim Einbau des Wabenkörpers 1 keine Einbaurichtung beachtet werden muss.

Figur 4 zeigt einen Ausschnitt aus einer stirnseitigen schematischen Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Wabenkörpers 6. Der Wabenkörper 6 ist aus im wesentlichen glatten Blechlagen 12 und strukturierten Blechlagen 13 aufgebaut und weist eine erste Teilmenge aus sich erweiternden Kanälen 5 und eine zweite Teilmenge Kanäle aus sich verjüngenden Kanälen 8 auf. Die sich erweiternden Kanäle 5 weisen eine ersten Eingangsquerschnittsfläche 6 a. Durch die Erweiterung der sich erweiternden Kanäle 5 in.Hauptströ- mungsrichtung z vergrößert sich der Kanalquerschnitt in diese Richtung. Die sich verjüngenden Kanäle 8 weisen eine zweite Eingangsquerschnittsfläche 9 auf. Der Kanalquerschnitt verkleinert sich in Richtung der Hauptströmungsrichtung z.

Figur 5 zeigt eine strukturierte Blechlage 13, wie sie ein in Figur 4 gezeigter Wa- benkörper aufweist. Diese strukturierte Blechlage 13 zeichnet sich dadurch aus, das die Strukturwiederhollänge 15, die als Abstand zweier benachbarter Struktur- maxima 16 definiert ist, sich über die Hauptströmungsrichtung z, die identisch zur Längsachse der strukturierten Blechlage 13 ist, stetig verändert. Dies führt zu zwei Teilmengen Kanäle, die die strukturierte Blechlage 13 mit einer benachbar- ten, nicht gezeigten im wesentlichen glatten Blechlage 12 bildet. Eine Teilmenge Kanäle besteht aus sich verjüngenden Kanälen 8, während die andere Teilmenge Kanäle aus sich erweiternden Kanälen 5 besteht. Wie oben dargelegt, führt dies bei entsprechender Ausgestaltung der strukturierten Blechlagen 13 zu einer Dämpfung von Schallwellen mindestens einer Frequenz.

Durch die Erfindung gelingt es, auf einfache Weise ohnehin vorhandene Waben- körper im Abgassystem zusätzlich zur gezielten Schalldämpfung einzusetzen.

Bezugszeichenliste

I Wabenkörper 2 Eingangsseite

3 Abgasstrom

4 Ausgangseite

5 Sich erweiternder Kanal

6 Erste Eingangsquerschnittsfläche 7 Erste Ausgangsquerschnittsfläche

8 Sich verjüngender Kanal

9 Zweite Eingangsquerschnittsfläche

10 Zweite Ausgangsquerschnittsfläche

I I Vermischungszone 12 glatte Blechlagen

13 gewellte Blechlagen

14 Mittelachse

15 Strukturwϊederhollänge

16 Strukturmaximum

A Amplitude der Schallwelle im ersten Teilgasstrom

A₂ Amplitude der Schallwelle im zweiten Teilgasstrom c Phasengeschwindigkeit

L axiale Kanallänge λ Wellenlänge n natürliche Zahl ω Kreisfrequenz der Schallwelle t_j Laufzeit durch die erste Teilmenge Kanäle t₂ Laufzeit durch die zweite Teilmenge Kanäle v Geschwindigkeit z Hauptströmungsrichtung

Claims

Patentansprüche

1. Wabenkörper (1) für ein Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Wabenkörper (1) im wesentlichen voneinander getrennte von Abgas durchströmbare Kanäle (5, 8) und eine axiale Länge (L) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wabenkörper (1) mindestens eine erste Teilmenge Kanäle (5) und eine zweite Teilmenge Kanäle (8) aufweist und dass zumindest die Querschnittsflächen (6, 7, 9, 10) einer der beiden Teilmengen Kanäle (5,

8) sich über die axiale Länge (L) des Wabenkörpers (1) ändern, so dass die Laufzeit des Abgases (3) in den verschiedenen Teilmengen Kanäle (5, 8) unterschiedlich ist.

2. Wabenkörper (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Teilmenge Kanäle (5) jeweils eine erste Eingangsquerschnittsfläche (6) und eine erste Ausgangsquerschnittsfläche (7) und die zweite Teilmenge Kanäle (8) jeweils eine zweite Eingangsquerschnittsfläche (9) und eine zweite Ausgangsquerschnittsfläche (10) aufweist und das Verhältnis der ersten Eingangs- querschnittsfläche (6) zur ersten Ausgangsquerschnittsfläche (7) ein anderes ist als das der zweiten Eingangsquerschnittsfläche (9) zur zweiten Ausgangs- querschnittsfläche (10).

3. Wabenkörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Querschnittsfläche zumindest einer Teilmenge Kanäle

(5, 8) in Hauptströmungsrichtung (z) steigt, bevorzugt monoton steigt und besonders bevorzugt streng monoton steigt und/oder die Querschnittsfläche zumindest einer anderen Teilmenge Kanäle (5, 8) in Hauptströmungsrichtung (z) fällt, bevorzugt monoton fällt und besonders bevorzugt streng monoton fällt.

Wabenkörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass zumindest eine Teilmenge Kanäle (5, 8) sich konisch er- weitert und/oder zumindest eine weitere Teilmenge Kanäle (5, 8) sich konisch verengt.

5. Wabenkörper nach einem der Ansprache 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Integrale der Querschnittsflächen über die axiale Länge (L) für verschiedene Teilmengen Kanäle unterscheiden.

6. Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine, mit mindestens einem Wabenkörper (1), der vom Abgas (3) durchströmbare Kanäle (5, 8) und eine axia- le Länge (L) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strömungsweg für eine erste Teilmenge des Abgases durch eine erste Teilmenge Kanäle (5) und ein Strömungsweg für eine zweite Teilmenge des Abgases durch eine zweite Teilmenge Kanäle (8) gebildet wird, wobei sich die Querschnittsflächen (6, 7, 9, 10) mindestens einer der beiden Teilmengen Kanäle (5, 8) über die axiale Länge (L) des Wabenkörpers (1) ändern, so dass die Laufzeit des Abgases (3) in den verschiedenen Teilmengen Kanäle (5, 8) unterschiedlich ist.

7. Abgassystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Teilmenge Kanäle (5) jeweils eine erste Eingangsquerschnittsfläche (6) und eine erste Ausgangsquerschnittsfläche (7) und die zweite Teilmenge Kanäle (8) jeweils eine zweite Eingangsquerschnittsfläche (9) und eine zweite Ausgangsquerschnittsfläche (10) aufweist und das Verhältnis von erster Eingangsquerschnittsfläche (6) zur ersten Ausgangsquerschnittsfläche (7) ein anderes ist als das der zweiten Eingangsquerschnittsfläche (9) zur zweiten Ausgangsquer- schnittsfläche (10).

8. Abgassystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche zumindest einer Teilmenge Kanäle (5, 8) in Hauptströmungsrichtung (z) steigt, bevorzugt monoton steigt und besonders bevorzugt streng monoton steigt und/oder die Querschnittsfläche zumindest einer anderen Teilmenge Kanäle (5, 8) in Hauptströmungsrichtung (z) fallt, bevorzugt monoton fällt und besonders bevorzugt streng monoton fällt.

9. Abgassystem nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Teilmenge Kanäle (5, 8) des ^"mindestens einen Wabenkörpers (1) sich konisch erweitert und/oder zumindest eine weitere Teilmenge Kanäle (5, 8) sich konisch verengt.

10. Abgassystem nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Integrale der Querschnittsflächen über die axiale Länge (L) für verschiedene Teilmengen Kanäle unterscheiden.

11. Verfahren zur Schalldämpfung in einem Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine, wobei das Abgassystem mindestens einen Wabenkörper (1) enthält, der vom Abgas (3) durchströmbare Kanäle (5, 8) aufweist und eine a- xiale Länge (L), dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Teilmenge des Ab- gases durch eine erste Teilmenge Kanäle (5) geleitet wird und eine zweite

Teilmenge des Abgases durch eine zweite Teilmenge Kanäle (8), wobei sich die Querschnittsflächen (6, 7, 9, 10) zumindest einer der beiden Teilmengen Kanäle (5, 8) über die axiale Länge (L) des Wabenkörpers (1) ändern, so dass ein Unterschied in der Laufzeit des Abgases (3) in den verschiedenen Teil- mengen Kanäle (5, 8) entsteht, und dass die Teilmengen des Abgases hinter dem mindestens einen Wabenkörper (1) wieder zusammengeführt werden.

12. Verfahren nach Ansprach 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Teilmenge Kanäle (5) jeweils eine erste Eingangsquerschnittsfläche (6) und eine erste Ausgangsquerschnittsfläche (7) und die zweite Teilmenge Kanäle (8) jeweils eine zweite Eingangsquerschnittsfläche (9) und eine zweite Ausgangsquerschnittsfläche (10) aufweist und das Verhältnis der ersten Eingangsquerschnittsfläche (6) zur ersten Ausgangsquerschnittsfläche (7) ein anderes ist als das der zweiten Eingangsquerschnittsfläche (9) zur zweiten Ausgangsquer- schnittsfläche (10).

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche zumindest einer Teilmenge Kanäle (5, 8) in Hauptströmungsrichtung (z) steigt, bevorzugt monoton steigt und besonders bevorzugt streng monoton steigt und/oder die Querschnittsfläche zumindest einer anderen Teilmenge Kanäle (5, 8) in Hauptströmungsrichtung (z) fällt, bevorzugt monoton fällt und besonders bevorzugt streng monoton fallt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas mindestens einen Wabenkörper (1) durchströmt, der zumindest eine Teilmenge Kanäle (5, 8) aufweist, die sich konisch erweitern und/oder zumindest eine weitere Teilmenge Kanäle (5, 8), die sich konisch verengen.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Integrale der Querschnittsflächen über die axiale Länge für ver- schiedene Teilmengen Kanäle unterscheiden.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterschied in der Laufzeit der Teilmengen des Abgases so gewählt wird, dass bei Zusarnmenführang der mindestens zwei Teilmengen zumindest teil- weise eine destruktive Interferenz für mindestens eine Frequenz vorliegt.

17. Verfahren nach Ansprach 16, dadurch gekennzeichnet, dass die destruktive Interferenz für eine kritische Frequenz auftritt.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Unterschied in der Laufzeit der Teilmengen des Abgases so gewählt wird, dass bei Zusammenführung der mindestens zwei Teilmengen zumindest teilweise eine destruktive Interferenz für mindestens zwei Frequenzen vorliegt.