EP1540148B1

EP1540148B1 - Schalldämpfer und verfahren zu seiner auslegung

Info

Publication number: EP1540148B1
Application number: EP03767495A
Authority: EP
Inventors: Georg LÜHRS
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2002-09-17
Filing date: 2003-09-17
Publication date: 2007-04-11
Anticipated expiration: 2023-09-17
Also published as: CN100366868C; DE10243225A1; CN1682015A; DE50307035D1; ATE359434T1; ES2285197T3; WO2004027231A2; WO2004027231A3; EP1540148A2

Description

Die Erfindung betrifft einen Schalldämpfer und ein Verfahren zu dessen Auslegung nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Es ist bekannt, bei Abgasanlagen von Fahrzeugen Schalldämpfer vorzusehen. Das Verbrennungsgas, das aus dem Verbrennungsmotor austritt, wird vom Abgassystem in die freie Atmosphäre abgeleitet. Dies soll, neben dem Vermeiden einer Belästigung durch gasförmige und feste Schadstoffe, auch möglichst geräuscharm erfolgen. Dabei wird zunehmend auch durch gesetzgeberische Massnahmen die zulässige Schallemission aus Umweltschutzgründen beschränkt.
Ein weiteres wichtiges wirtschaftliches Ziel für eine Abgasanlage ist daneben ein günstiger Preis. Ein niedriges Gewicht und kompakte Abmessungen, die für die Integration in das Fahrzeug wichtig sind, gewinnen zunehmend mehr an Bedeutung. Je nach Fahrzeug- und Motorgröße kann eine komplette Abgasanlage vom Abgaskrümmer bis zum Endrohr zwischen 20 und 45 kg wiegen. Alle Komponenten beeinflussen die Akustik der Abgasanlage, allerdings in ganz unterschiedlicher Weise. Dabei spielt sowohl die objektive Bewertung der Geräuschabstrahlung der Mündung und der Oberfläche der Abgasanlage, die bekanntermassen für die Geräuschemission in der beschleunigten Vorbeifahrt von Wichtigkeit ist, als auch das subjektive Empfinden des Beobachters zum Klangbild eine wichtige Rolle.
Die Akustik der Abgasanlage hängt neben dem Ladungswechselgeräusch des Motors in wesentlichem Mass von der konstruktiven Auslegung des Abgassystems ab. Hierbei spielen insbesondere die Symmetrie des Hosenrohres, Anzahl und Lage der Schalldämpfer sowie der Durchmesser der Verbindungsrohre eine dominante Rolle. Bei ungünstiger Auslegung kann die Abgasanlage verstärkende Geräusche erzeugen. Die heute zunehmend übliche Mehrventil-Technik des Antriebs führt zu einer deutlichen Erhöhung des in die Abgasanlage eintretenden Schallpegels. Die künftige weitere Reduktion des Geräuschgrenzwerts der beschleunigten Vorbeifahrt erfordert jedoch eine deutliche Absenkung des Mündungsgeräuschs. Diese erforderliche Pegelreduktion wurde bisher im wesentlichen durch eine Volumenerhöhung der Schalldämpfer erreicht, was jedoch schnell an die Grenzen des vorhandenen Bauraums stösst. Zur optimalen Nutzung des in der Unterbodengruppe zur Verfügung stehenden Bauraumes werden daher auch bei Fahrzeugen mittlerer Größe vermehrt Schalldämpfer in Schalenbauweise eingesetzt. Diese Schalen-Schalldämpfer haben in der Regel eine große und ebene Oberfläche, die die Schallabstrahlung begünstigt. Ein solcher Schalen-Schalldämpfer ist z.B. in der MTZ Motortechnische Zeitschrift, Jahrgang 62, 2001, vol. 3, S. 3 ff. beschrieben.
Aus diesen Gründen hat die Oberfläche der Abgasanlage als Schallquelle in den letzten Jahren deutlich an Bedeutung bei der Auslegung von Abgasanlagen gewonnen. Bei Motoren hoher spezifischer Leistung und ungünstiger Schalldämpfer-Geometrien kann die Oberflächen-Schallabstrahlung sogar dominant sein. Die Geräuschemission und somit das Layout der Abgasanlage muss bewertet und optimiert werden. Unterbleibt dies, ist die Gefahr gross, dass durch eine ungünstige Aufteilung des Schalldämpfervolumens und Anordnung der Schalldämpfer wesentlich mehr Volumen verbaut wird als nötig, oder dass Zugeständnisse bezüglich des Abgasgegendrucks und somit des Leistungsverlusts der Brennkraftmaschine des Fahrzeugs erforderlich werden.
Die Erhöhung des Volumens führt auch zu einer weiteren, unerwünschten Gewichtszunahme. Weiterhin beeinflusst das Layout der Abgasanlage über die Volumenverteilung und Länge der Verbindungsrohre nicht nur wesentlich die Geräuschemission, sondern auch über die damit verbundene Massenverteilung und Gesamtmasse das Eigenresonanzverhalten mechanischer Schwingungen, was sowohl die Dauerschwingfestigkeit der Anlage als auch das Geräuschniveau in der Fahrgastzelle beeinflusst. Weiterhin geht der Trend aufgrund der zunehmenden Bauraumrestriktionen eher dahin, das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen des Schalldämpfers zu verringern.
Sowohl der Körperschall als auch die Schallabstrahlung hängen von den physikalischen Parametern des Schalldämpferbauteils ab. Solche Parameter sind die Biegesteifigkeit und die Massenbelegung des Bauteils, die durch die Bauteilgeometrie festgelegt werden. Ebenfalls Einfluss haben Werkstoffeigenschaften wie das Elastizitätsmodul und die Dichte, welche durch das verwendete Material vorgegeben und daher nicht wesentlich variierbar sind. Die Dämpfung des Bauteils ist ein wesentlicher Parameter, jedoch schwer zu quantifizieren. Die Änderung bestimmter Größen kann sich unterschiedlich auf Körperschallmass und Abstrahlmass auswirken. So bewirkt eine Vergrößerung der Biegesteifigkeit im Allgemeinen eine Verringerung des Körperschallmasses, jedoch im Allgemeinen eine Erhöhung des Abstrahlmasses, wobei der Körperschalleinfluss meist dominierend ist. Selbst für einfache Geometrien ist eine Modellierung und eine Vorhersage der Eigenschaften des späteren Bauteils schwierig, da die Parameter sehr komplex miteinander wechselwirken.
Zur Erhöhung der Biegesteifigkeit ist es bekannt, so genannte Sicken in die Oberfläche des Schalldämpfers einzubringen. Es sind Sicken mit verschiedenen Formen bekannt, wie etwa Regenwurmsicken oder Golfballsicken. Regenwurmsicken sind längliche Gebilde, die ähnlich wie ein Regenwurm geformt sind, während Golfballsicken konkave oder konvexe halbkugelförmige Gebilde in der Art von Golfbällen sind. Solche Golfballsicken sind z.B. aus der Zeitschrift Automobilindustrie 6/2002 bekannt.
Aus dem gattungsgemäßen Dokument DE 198 49 118 A1 ist ein Abgasschalldämpfer bekannt, der aus Halbschalen gefertigt ist, die einen im wesentlichen ebenen Boden aufweisen. In den Boden der Oberschale sind mehrere nach aussen gerichtete längliche Ausbuchtungen bzw. Sicken vorgesehen. Die Sicken versteifen zum einen das Gehäuse und tragen, wie oben angesprochen, zur Reduzierung der Schallerregung in Folge von Schwingungen bei. Zum anderen bilden die Sicken im Innenraum des Schalldämpfergehäuses entsprechende Ausbuchtungen, welche im Inneren des Schalldämpfergehäuses zusätzliche Volumina jenseits der Ebene des Bodens schaffen.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Schalldämpfer mit weiter verbesserten Dämpfungseigenschaften anzugeben, sowie ein Verfahren zu dessen Auslegung.
Die Aufgabe wird jeweils durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Gemäß der Erfindung ist eine optimierte Gehäuseoberfläche mit Sicken vorgesehen, wobei sich die Gestalt und/oder die Anordnung der Sicken durch eine geeignete Unregelmäßigkeit zur Verminderung der Schallabstrahlung des Schalldämpfers auszeichnet.
Die gezielten Unregelmäßigkeiten beziehen sich dabei auf die Krümmungsverteilung der Umfangskurven der Sicken.
Bevorzugt weisen erfindungsgemäße Sicken im allgemeinen keine Symmetrielinie in der Querschnittsfläche parallel zur Gehäuseoberfläche des Schalldämpfers auf. Weiterhin bevorzugt weist der Flächenanteil der einzelnen Sicken im Verhältnis zur Gesamtfläche des Schalldämpfers eine breite Verteilung auf. Des weiteren ist es günstig, eine breite, vorzugsweise kontinuierliche Verteilung der Krümmungen von Umrandungskurven der Sicken vorzusehen.
Weitere Vorteile und günstige Ausgestaltungen der Erfindung sind auch unabhängig von der Formulierung den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.
Die Erfindung ist anhand von Zeichnungen näher beschrieben, wobei die Figuren zeigen:

Fig. 1: eine Sicht von schräg oben auf einen Schalldämpfer mit bevorzugten Sicken, die durch lsolinien dargestellt sind,
Fig. 2: eine Draufsicht von schräg unten auf den Schalldämpfer aus Fig. 1 mit bevorzugten Sicken,
Fig. 3: eine Ansicht des Inneren eines Schalldämpfers mit Funktionsflächen, welche den Schalldämpfer in Segmente aufteilen,
Fig. 4: einen Schnitt durch eine klassische Regenwurmsicke,
Fig. 5: eine bevorzugte Größenverteilung von bevorzugten Sicken als Funktion der Sickenzahl,
Fig. 6: eine bevorzugte Größenverteilung von bevorzugten Sicken bezogen auf die Gesamtoberfläche eines Schalldämpfers als Funktion der Sickenzahl,
Fig. 7: eine bevorzugte Verteilung von bevorzugten Sicken bezogen auf den Flächenanteil der Sicken,
Fig. 8: den Vergleich der Schallpegel bei klassischen Sicken (a₀, b₀, c₀) und Sicken gemäß der Erfindung (a₁, b₁, c₁).

Die Funktion bekannter Sicken in einem Schalldämpfergehäuse besteht vorrangig in der Erhöhung der Biegesteifigkeit des Gehäuses sowie der Strömungsführung. Üblicherweise werden ferner Oberflächen des Schalldämpfergehäuses durch Funktionsflächen unterteilt. Diese Teilbereiche der Gehäuseoberfläche dienen im Allgemeinen als Sitz für Böden. Die Teilbereiche wirken jeweils als Reflexionskammern im Innern des Schalldämpfers, in denen der Schall gedämpft werden soll, wobei üblicherweise Parallelität zwischen den Bödensitzen besteht. Um die Biegesteifigkeit zu erhöhen, ist eine Mindestanzahl Böden vorzusehen, in denen regelmäßig Sicken eingelassen sind. Demgegenüber können die erfindungsgemäße Gestalt und/oder Anordnung der Sicken in einem vorzugsweise numerischen Optimierungsprozess bestimmt werden, die in einer möglichst geringen Schallabstrahlung des Schalldämpfers resultiert.
Bei dem erfindungsgemäßen Optimierungsprozess erfolgt zunächst eine numerische Ermittlung der Gaspulsation im Schalldämpfer, d. h. eines Druckfeldes p(x, t, u(x)). Hierbei kennzeichnet x einen Ort auf der Innenfläche eines Schalldämpfergehäuses. Da die Wandstärke des Schalldämpfers im Vergleich zu charakteristischen Maßen, wie Länge und Breite und Höhe, gering ist, ist vorzugsweise der Unterschied zwischen Innen- und Aussenfläche für den Wert von x vernachlässigbar. Weiterhin kennzeichnet t die Zeit und u(x) einen Verschiebungsvektor der Aussenfläche eines versickten Schalldämpfers zu der Aussenfläche eines unversickten Schalldämpfers. Die Grösse u(x) definiert daher die Sicken. Empirisch hat sich ergeben, dass für das Drucksignal die Abhängigkeit vom Verschiebungsvektor u(x) häufig vernachlässigbar ist. Aus dem Druckfeld p(x, t, u) resultiert ein Geschwindigkeitsfeld v(x, t, u(x)) auf der Aussenfläche des Schalldämpfers. Dieses Geschwindigkeitsfeld v(x, t, u(x)) führt zur Emission von Schall. Eine optimierte Gehäuseoberfläche zeichnet sich nun dadurch aus, dass die Schallemission verringert bzw. auf einen zulässigen Wert beschränkt wird.
In Fig. 1 ist als Draufsicht von schräg oben ein erfindungsgemäßer Schalldämpfer mit einem an sich bekannten Grundkörper aus zwei Halbschalen und einer Anzahl Sicken dargestellt, während Fig. 2 eine Sicht auf die Unterseite des Schalldämpfers der Fig. 1 zeigt. Die Sicken können sich sowohl in das innere des Schalldämpfers als auch aus dem Schalldämpfer heraus erstrecken. Die Halbschalen des vorzugsweise vorgegebenen Grundkörpers können dabei einwandig oder doppelwandig ausgeführt sein.
Der Schalldämpfer umfasst ein Schalldämpfergehäuse 1 mit zumindest einem Einlass 3 und einem Auslass 4 für ein Abgas auf, welchen jeweils eine oder mehrere übliche Öffnungen und im Inneren des Schalldämpfers verlaufende Rohre zugeordnet sein können. In die Gehäuseoberfläche 2 sind eine oder mehrere Funktionsflächen 8 sowie eine oder mehrere Sicken 5, 6, 7 eingelassen. Der Übersichtlichkeit wegen sind nicht alle vorhandenen Sicken gekenn- zeichnet, die in den Figuren jedoch aufgrund ihrer unregelmäßigen Formen leicht zu erkennen sind.
Die Funktionsflächen 8 teilen den Schalldämpfer in drei innere Segmente 9 ein, an die sich zu beiden Seiten noch die Endstücke des Schalldämpfergehäuses 1 anschließen, die ebenfalls mit Sicken 5, 7 versehen sind. Die Funktionsflächen 8 sind sickenartig ausgebildet, jedoch ist ihre Aufgabe vorrangig einen Bodensitz des Schalldämpfers zu gewährleisten.
In Fig. 3 ist die Innenansicht eines Schalldämpfers 1 ohne Gehäuse 2 dargestellt, so dass nur die innen verlaufenden Rohre 11 zur Abgasführung und Rahmen für Böden 10 zu erkennen sind. Die Böden 10 korrelieren mit der Lage der Funktionsflächen 8 und definieren dazwischen liegende Segmente 9. Die Abgaspulsationen in den Rohren 11 sind eine Quelle für den abgestrahlten Schall. Je nach Gehäuse, welches die Anordnung umschließt, kommt es zu mehr oder weniger Schallabstrahlung.
Aus dem Stand der Technik bekannte klassische Sicken zeichnen sich durch eine Gestalt mit Konturen mit hoher Symmetrie aus, wie z. B. die Trapezsicke, deren Querschnitt trapezförmig ist oder die Regenwurmsicke. Bei der klassischen Regenwurmsicke kann leicht eine stetige Symmetrielinie gefunden werden, deren Abstand vom Sickenrand sich dadurch auszeichnet, dass zu einem Punkt auf der Symmetrielinie zwei gegenüberliegende Randpunkte gefunden werden können, deren normaler Abstand zu diesem Punkt auf der Symmetrielinie im wesentlichen gleich gross ist, wobei jeweils Flächen parallel zur Gehäuseoberfläche 1 betrachtet werden.
Bei der in Fig. 4a dargestellten Regenwurmsicke erzeugt die Verbindungslinie zwischen den beiden Randpunkten R₁ und R₂ und dem Punkt P auf der Symmetrielinie Sp, mit den Tangenten T₁, T₂ der Randkurven der Sicken in den beiden Randpunkten jeweils zwei Winkel α₁ und β₁, sowie α₂ und β₂. Diese Winkel α, β haben im Allgemeinen die Eigenschaft, dass α ≤ 90° (±0,5°) und β≥90° (±0,5°), sowie α + β= 180° (±1°). Die bekannten Sicken haben weiterhin meistens die Eigenschaft, dass α₁ = α₂ (±0,5°), während dies bei optimierten Sicken 5, 6, 7 gemäss der Erfindung im allgemeinen nicht der Fall ist. Vielmehr können bei erfindungsgemäßen Regenwurmsicken die Winkel α, β fluktuieren, so dass α1 ungleich α2 ist mit einer Abweichung von mindestens ±1°, bevorzugt ±10°. Alternativ oder zusätzlich können die Winkel α₁ und α₂ ungleich sein mit Abweichung von ±5°, bevorzugt ±10 °.
In Fig. 4b ist eine Querschnittsdarstellung entlang einer Schnittebene A - A' der Regenwurmsicke 4a gezeigt. Die Innenkontur IK der Regenwurmsicke hat dabei eine annähernd kreisförmige Form, ist jedoch im Stand der Technik auch dreieckförmig oder dgl. ausgebildet. Erfindungsgemäß ist die innenkontur einer Sicke fluktuierend. Beispielsweise kann ein variierender Krümmungsradius vorgesehen sein. Insbesondere kann die Innenkontur des Querschnitts entlang einer Längslinie L fluktuieren, wobei die Längslinie L eine entlang einer longitudinalen Ausdehnung der Sicke verlaufende im Allgemeinen nicht symmetrisch zu den Randkurven der Sicke liegende die Länge der Sicke charakterisierende Kurve ist. Empirisch hat sich gezeigt, dass im Allgemeinen ein gewisser minimaler Anteil der Unregelmäßigkeiten aufweisenden Sicken erforderlich sind, um eine effektive Verminderung der Schallabstrahlung zu erreichen, so dass beispielsweise Sicken mit einer Unregelmäßigkeit in einem Endbereich, beispielsweise in Fig. 4a der Endbereich E nicht den gewünschten .Dämpfungseffekt erreichen.
Neben Sicken mit Longitudinalsymmetrie gibt es im Stand der Technik auch Sicken mit Rotationssymmetrie, wie die erwähnte Golfballsicke. Hierbei werden Symmetrieelemente durch Drehung um eine Symmetrieachse zur Deckung gebracht. Erfindungsgemäß wird eine erhöhte Schalldämpfung erreicht, wenn derartige Sicken durch Fluktuationen der Symmetriewinkel gezielt einer erhöhten Unregelmäßigkeit unterworfen werden. Die Symmetrielinie bekannter Sicken kann je nach Sickentyp, etwa bei der Golfballsicke, auch zu einem Symmetriepunkt degenerieren, da eine Golfballsicke beliebig viele Symmetrieflächen aufweisen kann.
Ferner sind bilateralsymmetrische Sicken bekannt, die durch eine Ebene in zwei spiegelbildlich gleiche Hälften zerlegt werden können. Entsprechende erfindungsgemäße Sicken zeichnen sich zumindest durch Fluktuationen der symmetrischen Elemente derartiger klassischer Sicken aus.
Bei den bekannten Sicken weicht ferner der normale Abstand zwischen den beiden Randpunkten unter Einbeziehung des Punktes auf der Symmetrielinie höchstens um ±10%, bevorzugt ±5%, besonders bevorzugt ±1% von der charakteristischen Sickenbreite ab. Solche Abweichungen können sich z. B. durch Fertigungstoleranzen ergeben und sind nicht gezielt im Sinne der Erfindung eingebracht.
Die bekannten Sicken zeichnen sich weiter dadurch aus, dass ihre Umrandungen durch gerade Abschnitte und im wesentlichen gleichmäßig gekrümmte Bereiche gebildet sind, wobei bei dieser Charakterisierung die Krümmung des Grundkörpers nicht berücksichtigt wird. Die Radien der Umrandung sind daher dergestalt, dass sie praktisch nur wenige diskrete Werte annehmen.
Dagegen weisen Gestalt und/oder Anordnung der erfindungsgemäßen Sicken 5, 6, 7 gezielte Unregelmäßigkeiten auf.
Die Krümmung der Umrandungskurven der Sicken 5, 6, 7 unterliegt erfindungsgemäß einer breiten Verteilung und ist nicht durch wenige diskrete Werte gekennzeichnet. Weiterhin weisen vorzugsweise rund 30% der Sicken 5, 6, 7 mit einer Fläche > 1,5 cm² hierbei Krümmungsradien mit dem Verhältnis > 1,5 auf.
Die gezielten Unregelmäßigkeiten der Sicken 5, 6, 7 können ferner eine oder mehrere aus der Gruppe der folgenden Eigenschaften aufweisen:

die Gestalt der Sicke 5, 6, 7 weist eine verminderte Symmetrie auf. Insbesondere sind die Sicken 5, 6, 7 in Schnittebenen parallel zur Gehäuseoberfläche 2 bezogen auf ihre in der Schnittebene liegende Umrandungskurve im wesentlichen symmetrielinienfrei. Vorzugsweise weisen zwischen 10% und 90% der Sicken 5, 6, 7 keine Symmetrieachse oder Symmetrielinie auf. Dabei sollte zweckmäßigerweise auf Planarität normiert werden, da Sicken Raumgebilde sind und Symmetrielinien nach dem Stand der Technik aus Punkten lokaler Symmetrie gebildet sind.
Flächenanteile der einzelnen Sicken 5, 6, 7 weisen bezogen auf die Fläche der Gehäuseoberfläche 2 eine Verteilung mit einer nichtlinearen Hüllkurve auf, wie etwa eine Gaussverteilung, eine Poissonverteilung oder dergleichen.
Umfangskurven der Sicken 5, 6, 7 weisen Krümmungen mit im wesentlichen kontinuierlicher Verteilung auf. Dabei beträgt der gekrümmte Kurvenanteil der Umlaufkante von Sicken 5, 6, 7 bezogen auf eine einzelne Sicke vorzugsweise mindestens 30%. Der gerade Anteil der Umfangskurven ist vorzugsweise minimal 10%, wobei unter "gerade" vorzugsweise mindestens 1 cm Länge verstanden wird und wobei auf 1 cm höchstens 1 mm Abweichung zu beobachten ist. Die Wölbung des Grundkörpers des Schalldämpfergehäuses 1 wird dabei sinnvollerweise herausgenommen.
Die Einpresstiefe der Sicken 5, 6, 7 relativ zur Gehäuseoberfläche fluktuiert; insbesondere hat 80% der im Boden der Sicke liegenden Fläche eine Höhenveränderung von 30%, 40%, 50 % oder 60 % der tiefsten Einpresstiefe. Die Sicken 5, 6, 7 sind keine geraden Streifensicken; insbesondere weisen sie keine Symmetrielinie auf.

Vorzugsweise werden die Sicken mit einer gezielten Unordnung zur Verminderung der Schallabstrahlung in der Gehäuseoberfläche angeordnet. Die Anordnung kann dabei entlang einer Längs- oder Querrichtung des Schalldämpfergehäuses (1) erfolgen. In Abhängigkeit von der Position der Sicken auf der Gehäuseoberfläche verändert sich insbesondere die Biegesteifigkeit auch bei ansonsten unveränderter Bauteilgeometrie.
Neben Sicken, die in einer Schnittebene parallel zur Gehäuseoberfläche eine einfach zusammenhängende Fläche mit einer unregelmäßigen Kontur aufweisen, weisen andere erfindungsgemäße Sicken eine Topologie mit einem höheren Zusammenhang auf. In Fig. 1 ist mit Sk eine Sicke mit Enklave bezeichnet, bei der im Inneren einer Sicke eine unversickte Insel angeordnet ist. Als unversickt werden hier Bereiche der Oberfläche bezeichnet, die der ursprünglichen Oberfläche des Schalldämpfergehäuses 1 zugehörig sind. Im einfachsten Fall können dadurch kreisförmige Strukturen entstehen, wobei jedoch Unregelmäßigkeiten durch die Außenkontur der Sicke oder die Innenkontur der Sicke bzw. die Kontur der Enklave oder Insel oder durch beides auftritt. Ferner können auch kompliziertere Formen mit mehr als einer unversickten Enklave vorgesehen sein.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schwankt der Flächenanteil einzelner Sicken 5, 6, 7 im Verhältnis zur Gesamtfläche aller Sicken 5, 6, 7, insbesondere gibt es einzelne Sicken 5, 6, 7, die sich in ihrer Fläche deutlich von den Flächen anderer Sicken 5, 6, 7 abheben. Dies ist in Fig. 5 dargestellt. So weist eine Mehrzahl der Sicken 5, 6, 7 eine relativ geringe Fläche auf. In diesem Beispiel weisen 25 von 28 Sicken eine Fläche unterhalb von 100 cm² auf, während wenige Sicken deutlich größere Flächen bis zu 250 cm² aufweisen.
Der Flächenanteil aller Sicken 5, 6, 7 im Verhältnis zur gesamten Oberfläche des Schalldämpfers 1 liegt bei vorzugsweise bei höchstens 50%, besonders bevorzugt höchstens 30%. Dabei kann der Sickenflächenanteil an den einzelnen, durch Funktionsflächen 8 definierten Böden 9 zwischen etwa 3% und etwa 70%, bevorzugt zwischen 5% und etwa 60%, der jeweiligen Aussenfläche des Gehäuses 1 betragen.
Bezogen auf die Gesamtoberfläche des Schalldämpfers liegt die Fläche der einzelnen Sicken 5, 6, 7 zwischen 0,05% und 10% der Gesamtoberfläche, bevorzugt zwischen 0,1% und 5%. Dies ist in Fig. 4 dargestellt. Eine Mehrzahl von Sicken, im Beispiel etwa 25 von 30 Sicken, weist einen Flächenanteil von höchstens 2 % der Gesamtoberfläche auf, während einige wenige Sicken wesentlich grössere Flächenanteile von bis zu 5% einnehmen. Die absolute Anzahl der Sicken kann selbstverständlich bei verschiedenen Schalldämpfern unterschiedlich sein und individuell abgestimmt werden.
In Fig. 5 ist eine bevorzugte Verteilung von erfindungsgemäßen Sicken bezogen auf den Flächenanteil der Sicken veranschaulicht. Dabei zeigt die Abszisse relative Sickenzahl S und die Ordinate den zugehörigen relativen Flächenanteil. Die Gesamtheit aller Sicken wird durch den Punkt S/F=1 gekennzeichnet mit einem Flächenanteil von 1. Bei Sicken gleicher Grösse ergibt sich als Verteilung eine Gerade. Bevorzugt ist jedoch eine sublineare Verteilung der Flächen über die Sickenzahl, wie an der Kurve unterhalb der Geraden zu erkennen ist. Bei einem Verhältnis von 0,4 ergibt sich ein Flächenanteil von 0,1. Dies bedeutet dass 25% der erfindungsgemäßen Sicken einen Flächenanteil von weniger als 0,1 der gesamten Sickenfläche der erfindungsgemäßen Sicken einnehmen. Bei einem Wert von F/S=0,85 ergibt sich ein Flächenanteil von 0,6. Dies bedeutet, dass knapp 75% der Sicken einen Flächenanteil von 0,6 einnehmen.
Günstig ist, wenn Flächen einzelner Sicken 5, 6, 7 bezogen auf die Gesamtfläche aller Sicken 5, 6, 7 Abweichungen von mehr als 50% von einem Mittelwert aufweisen.
Weiterhin ist günstig, wenn die prozentuale Verteilung der Flächen einzelner Sicken 5, 6, 7 bezogen auf die Gesamtfläche der Gehäuseoberfläche 2 nichtlinear ist.
In einer zweckmässigen Anordnung der Sicken 5, 6, 7 sind diese auf zwei gegenüberliegenden oberen und unteren Schalen der Gehäuseoberfläche 2 unsymmetrisch zueinander angeordnet, wie im Vergleich der Ansichten von Fig. 1 und Fig. 2 deutlich zu erkennen zu erkennen ist.
Im Übergangsbereich zwischen den Sicken und der Gehäuseoberfläche (2) sind bei den erfindungsgemäßen Sicken Stufen vorgesehen, die Unregelmäßigkeiten zur Verminderung der Schallabstrahlung aufweisen können. Bevorzugt sind Sicken mit einem zur Gehäuseoberfläche (2) im Wesentlichen parallelen Boden, wenn die Sicke eine bestimmte vorgegebene Tiefe erreicht oder überschreitet. Jedoch sind auch Sicken, insbesondere weniger tiefe Sicken, mit einem schiefen Boden, vorgesehen.
Fig. 8 zeigt beispielhaft die Schallabstrahlung eines erfindungsgemäßen Schalldämpfers als Funktion einer Motordrehzahl. Funktionsflächen 8 teilen das Schalldämpfergehäuse 1 in drei Bereiche ein, welche jeweils Sicken aufweisen. Dabei geben die Kurven a₀, a₁ die Schallabstrahlung des linken, b₀, b₁ die Schallabstrahlung des rechten Bereichs und c₀, c₁ die Schallabstrahlung des mittleren Bereichs des Schalldämpfergehäuses 1 wieder. Die Schallabstrahlung wurde in einer Entfernung vom Schalldämpfergehäuse 1 bestimmt, welche noch ausreichend ist, um verschiedenen Gebiete des Schalldämpfers akustisch unterscheiden zu können, wobei eine Schallabstrahlung mit einem Frequenzgemisch im Bereich um 250 Hz erzeugt wurde. Die Kurvenschar a₀, b₀, c₀ wurde einem Schalldämpfer gewonnen, welcher mit üblichen, klassischen Sicken versehen ist. Alle drei Kurven steigen mit zunehmender Motordrehzahl im Mittel monoton an, z.B. a₀, b₀ in diesem Beispiel zwischen 1000 und 5000 1/min von etwa 70 bis maximal 100 dB an, wobei der mittlere Bereich eine um etwa 5 dB geringere Schallabstrahlung erzeugt als die beiden Endbereiche, deren Schallabstrahlung in etwa gleich gross ist.
Wird eine gleichartige Schalldämpfergehäusekonfiguration jedoch mit Sicken 5, 6, 7 gemäss der Erfindung versehen, so zeigt sich eine deutliche Verminderung in der Schallabstrahlung. Die Schallabstrahlung ist gemäss der Kurvenschar a₁, b₁, c₁ im Mittel um rund 10 dB geringer als die Werte der Kurvenschar a₀, b₀, c₀ mit den bekannten Sicken. Um eine vergleichbare Dämpfung des Pegels an Schallabstrahlung zu erzeugen, kann ein Schalldämpfer gemäss der Erfindung mit einer geringeren Zahl an Böden auskommen als ein Schalldämpfer in klassischer Ausführung. Dies ermöglicht eine vereinfachte Herstellung mit den entsprechenden Einsparungspotential an Herstellkosten, Bearbeitungszeit und Werkzeugen. Vorzugsweise kann die Zahl der Böden 9 verglichen mit einer Anordnung mit regelmäßigen Sicken um mindestens einen Boden 9 verringert sein. Andererseits kann bei gleicher Zahl an Böden mittels der erfindungsgemäßen Sicken 5, 6, 7 ein deutlich geringeres Mass an Schallabstrahlung erreicht werden.

Claims

Schalldämpfer mit einem Schalldämpfergehäuse (1) und mindestens einem Einlass (3) und mindestens einem Auslass (4) für ein Abgas, wobei die Gehäuseoberfläche (2) eine oder mehrere Sicken (5, 6, 7) aufweist und die Gestalt und/oder Anordnung der Sicken (5, 6, 7) gezielte Unregelmäßigkeiten zur Verminderung der Schallabstrahlung aufweist dadurch gekennzeichnet, dass die gezielten Unregelmäßigkeiten sich auf die Krümmungsverteilung der Umfangskurven der Sicken (5, 6, 7) beziehen.
Schalldämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen 5 % und 100 % der Sicken (5, 6, 7) in Schnittebenen parallel zur Gehäuseoberfläche (2) bezogen auf ihre in der Schnittebene liegende Umrandungskurve im wesentlichen symmetrielinienfrei oder symmetriepunktfrei sind.
Schalldämpfer nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen 5 % und 100 % der Sicken (5, 6, 7) eine Krümmung der Umrandungskurven mit einer im wesentlichen kontinuierlichen Verteilung aufweisen.
Schalldämpfer nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der Sicken (5, 6, 7) auf oberen und unteren Gehäuseoberflächen (2) unterschiedlich ist.
Schalldämpfer nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Flächen einzelner Sicken (5, 6, 7) bezogen auf die Gesamtfläche aller Sicken (5, 6, 7) Abweichungen von mehr als 50 % von einem Mittelwert aufweisen.
Schalldämpfer nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die prozentuale Verteilung der Flächen einzelner Sicken (5, 6, 7) bezogen auf die Gesamtfläche der Gehäuseoberfläche (2) nichtlinear ist.
Schalldämpfer nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtfläche der Sicken (5, 6, 7) einen Anteil an der Gehäuseoberfläche (2) von maximal 30 %, 40 % oder 50 % einnimmt.
Schalldämpfer nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Gehäuseoberfläche (2) Böden (10) definierende Funktionsflächen (8) vorgesehen sind.
Schalldämpfer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in von Funktionsflächen (8) begrenzten Böden (10) der Gehäuseoberfläche (2) der Anteil der Sickenflächen zwischen 5 % und 60 % der jeweiligen Fläche beträgt.
Schalldämpfer nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche einzelner Sicken (5, 6, 7) Werte zwischen 0,05 % und 10 % der Gehäuseoberfläche (2) aufweist.
Schalldämpfer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche einzelner Sicken (5, 6, 7) Werte zwischen 0,1 % und 5 % der Gehäuseoberfläche (2) aufweist.
Verfahren zur Auslegung eines Schalldämpfers nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gestalt und/oder die Anordnung der Sicken (5, 6, 7) in Abhängigkeit von der Schallabstrahlung des Schalldämpfers durch ein numerisches Optimierungsverfahren bestimmt werden.