SE502786C2 - Anordning för ljuddämpning i ett kanalsystem, i synnerhet i ett avgassystem för förbränningsmotorer - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 502 786 2 vid tomgång. För en 4-cylindrig motor med ett tomgångs- varvtal på 750 rpm innebär detta att man eftersträvar en första systemresonans-frekvens som ligger väsentligt lägre än 25 Hz.

Denna låga resonansfrekvens är möjlig att uppnå med hjälp av en mycket stor ljuddämpare och en måttlig kanallängd nedströms dämpare. Tillgängligheten för en stor ljuddämpare är i fordonssammanhang begränsad, varför det i praktiken bästa sättet att skapa låg resonansfrekvens är att placera ljuddämparen långt uppströms systemet så att kanallängden nedströms ljuddämparen kan ökas i tillräcklig grad.

Med ökad kanallängd nedströms dämparen ökar risken att s k stående ljudvågor av halva våglängden (eller multiplar av denna) i frekvens sammanfaller med motorns tändfrekvens eller dess multiplar vid olika motorvarvtal.

Med exempelvis rörlängden 1.4 m nedströms ljuddämparen och normala avgastemperaturer vid normalkörning runt ca 200 grader C, uppstår kraftiga resonanser genom denna s k första stående våg (s k "lambda halva") vid 160 Hz.

För en 5-cylindrig motor sammanfaller den första stående 'vågen med tändfrekvensen vid ca 4000 rpm, med dubbla tändfrekvensen vid ca 2000 rpm respektive med 3-dubbla tändfrekvensen vid ca 1300 rpm. Härvid erhålles kraftiga ljudförstärkningar.

Vid högre avgastemperaturer, dvs vid högre motorlaster sker motsvarande resonansförstärkningar vid högre varvtal.

Vid fullast, då avgastemperaturen i avgassystemets slutdel oftast överstiger 700 grader C, förskjuts dessa resonans- förstärkningar till nästan det dubbla motorvarvtalet. 10 15 20 25 30 35 502 786 3 Den andra sk stående vågen, dvs då då fulla ljudvåglängden sammanfaller med rörlängden 1.4 m, ger dubbla resonans- frekvensen 320 Hz. Dvs resonansförstärkningar vid normal- körning uppkommer även vid 8000 rpm av tändfrekvensen, vid 4000 rpm av dubbla tändfrekvensen samt vid 2600 rpm av tredubbla tändfrekvensen. Dessa senare resonansförstärk- ningar av tändfrekvensen och dess multiplar är i allmänhet något lindrigare.

Teknikens ståndpunkt Ett alternativt sätt att skapa en låg första system- resonans-frekvens är att införa en ytterligare ljuddämpare; Ett sådant system visas exempelvis i US 4.537.278, fig 1.

Ett dubbelt massa-fjädersystem åstadkommer dock en andra systemresonansfrekvens. Normalt uppkommer denna vid ca 70 till 120 Hz.

Ytterligare nackdelar med denna lösning är att den är relativt dyr att producera och dessutom blir dess vikt hög.

I Us 3.396.812 och Us 3.415.338 används s k kvartsvâgspipor för att minimera nackdelarna med 1-dämparsystems stående vågfenomen av halvvåglängden eller dess multiplar (Å, 1.5 Ä, 2 Ä osv) uppkomna i rördelar placerade mellan fria volymer såsom mellan ljuddämpare eller mellan dämpare och utlopp.

Dessa lösningsalternativ har den gemensamma nackdelen att temperaturen i kvartvågspiporna normalt kraftigt skiljer sig från temperaturen i avgassystemkanalen.

Detta innebär att kvartvågspipans konstanta längd korr- esponderar mot någon av Å/2, 1,5 Ä osv, i röret 16, endast inom ett mycket begränsat avgastemperaturområde.

Eftersom en s k kvartvågspipa av traditionell form har en mycket smalbandig dämpningskaraktäristik, uppvisar dessa lösningsalternativ' stora begränsningar i ljuddämpnings- 502 786 10 15 20 25 30 35 4 egenskaper för tändpulsfrekvensen och dess multiplar.

Dessa nackdelar framgår genom följande exempel: Om syftet är att dämpa resonansförstärkningen av någon av motorns pulsfrekvenser (grundtändfrekvensen och dess multiplar) som är bundna till första stående vågen skall kvartsvågspipan, enligt US patent 3.396.812 vara ansluten vid maxtryck- sområdet för den stående vågen. Detta innebär att anslut- ningen av pipan skall placeras i mittområdet av röret.

Om kvartvågspipans tvärdimension därvid överensstämmer med tvärdimensionen för röret erhålles på känt sätt en mycket effektiv ljuddämpning av halvvågsresonansfrekvensen. Detta gäller dock endast inom ett mycket begränsat frekven- sområde. Känt är dessutom att förstärkningar av andra frekvenser erhålles genom de s k sidbandseffekterna. Med exemplifierade längd- och tvärdimensioner erhålles på känt sätt dessa förstärkningar vid ca 0,7 respektive vid ca 1,4 ggr ursprungsresonansfrekvensen.

Om vid 5-cylindriga motorer, ljuddämpning önskas av andra ordningens tändpulsfrekvens, erhålles därvid vid samma varvtal en kraftig förstärkning av tredje ordningens tändpulsfrekvens.

Genom att kvartsvågspipan enligt exemplet är externt placerad uppstår temperaturdifferenser på upp till 600- 700 grader C mellan pipan och avgasröret.

Om exempelvis en extern kvartsvågspipas längd anpassas till att vara verksam vid avgasrörstemperaturer på 200 grader C erhålles därigenom under fullast en felaktig frekvens- anpassning på upp till ca 1.8 ggr. vid tomgång och skjut- laster blir felaktigheten i avstämningen gql' . upp till ca 0,6 10 15 20 25 30 35 502 Felaktig avstämning kan leda till dels att erforderlig dämpning inte uppnås, dels till att ljud som ligger nära tändfrekvensen eller dess multiplar förstärks. Detta kan ske genom att sidbandsförstärkningarna i frekvens samman- faller med tändfrekvensen eller dess multiplar. ens °ndamål och vikti aste kännetecken Ändamålet med uppfinningen är att åstadkomma en dämpnings- anordning för avgaskanaler som på ett effektivt, billigt och viktbesparande sätt åstadkommer en tillräcklig dämpning av valda frekvensområden.

Ett syfte därvidlag är att åstadkomma akustiskt skenbara förlängningar av resonanspipan eller piporna. Ändamålet med uppfinningen åstadkommes genom att åtminstone en pipa är anordnad i röret, att pipans ena ände utgör ett inlopp och att pipans andra ände är helt eller delvis tillsluten, och att pipans inlopp är anordnad i eller nära något av rörets ljudmaxtrycksområden (P1 max, P2 max eller Pn max) i syfte att dämpa minst ett ljudtrycksmaximum.

Det är också önskvärt att erhålla en bredbandig dämpkarak- täristik med minimerade sidbandsförstärkningar. Detta uppnås genom att i resonanspipans inlopp placera ett resistivt filter med ett förutbestämt strömningsmotstånd.

Den bredbandiga dämpningskaraktäristiken, med kraftigt reducerade sidbandsförstärkningar uppnås enligt uppfinn- ingen även genom att i resonanspipans/pipornas gavelområde anordna ett resistivt filter med mycket begränsad gas- genomsläpplighet, helst mindre än 1% av slutrörets genom- strömningsarea A1 minus A2. geskrivning av figurer Fig 1 visar i toppvy schematiskt slutdelen av ett vanligt förekommande avgassystem. Fluidströmningsriktningen är 786 '502 786 10 15 20 N (fl 30 35 6 pilmarkerad. Slutrörets första stående våg är definierad med beteckning Å/2 medan andra stående vågen är markerad med Å.

Respektive vågs ljudtrycksmaximum är angivna som P1 max respektive P2 max. Vågens partikelhastighetsmaximum, Vmax, ligger vid de bägge utloppen.

Fig 2 visar ett längdsnitt av slutdelen på slutröret enligt fig 1 varvid olika utförandeformer av uppfinningen framgår.

Beteckning A1 för avgasröret anger dess tvärsnittsarea på samma sätt som A2 anger tvärsnittsarean för pipan.

Beskrivning av föredragna utförinqsexempel I figur 1 visas alltså ett avgassystem innefattande en ljuddämpare 1, ett till ljuddämparen 1 anslutet rör eller kanal 2 samt ett slutrör 3 försett med ett utlopp 4.

Slutrörets 3 längd är betecknad med L. Strömningsriktningen i systemet är markerad genom pilar. Slutrörets första stående våg är definierad med beteckningen Ä/2 medan andra stående vågen är markerad med Ä.

En utföringsform enligt uppfinningen utgöres av en reso- nanspipa 6, som är placerad inuti slutröret 3. Resonans- pipans 6 längd L2 är minst 0,75, företrädesvis minst 0,9 gàmerlJ2- Pipans 6 inlopp 7 är placerad väsentligen inom det akustiska maxtrycksområdet P1 max. Pipans 6 ändgavel 8 utgör reflektionselement för den i pipan 6 utbildade stående vågen som har formen av en kvartsvågslängd med maximalt tryck vid gaveln 8 respektive maximal partikel- hastighet vid sin inloppsöppning 7.

En anordning enligt denna utförandeform (fig 2) och med ett areaförhållande av A2/A1 lika med ungefär 0.3 erhålles mer än 30 dB dämpning av den första stående vågen inom slut- röret 3 (fig 1). Dämpningen har vid praktiska prov visat sig överstiga 30 dB oavsett temperaturnivån inom slutröret 3. Detta är också rimligt eftersom någon nämnvärd tempe- 10 15 20 25 30 35 502 786 7 raturdifferens mellan pipan 6 och slutrörets gasflöde ej uppstår.

Den ovan beskrivna utföringsformen ger sedvanliga sidbands- ett lägre A2/A1-förhållande i flertalet applikationer kan vara att föredraga. förstärkningar, varför En överdimensionering av förhållandet A2/A1 kan dock i en annan utföringsform av uppfinningen vara fördelaktigt för införande av ett akustiskt resistivt filter 9 vid pipans 6 inlopp 7. Placeringen är vald med hänsyn tagen till då den stående vågen i pipan 6 har maximal partikelhastighet vid inloppet 7.

Prover har utförts med en filterkaraktäristik av ca 100 Ns/ms och med förhållandet A2/A1 = 0.30. Proverna visar att sidbandsförstärkningar praktiskt taget eliminerats och med en dämpning av mer än 15 dB vid tidigare resonanser av P1 max vilket är tillfredsställande.

Från prover med filter 9'har framgått att L2 kan reduceras med upp till 20% i längd. Denna längdreducering uppnås genom en impedansändring i filtret 9, och kan vara av mycket stor betydelse. Detta är en viktig fördel eftersom det är mycket svårt att få plats med tillräckligt långa raka slutrör 3 vid placering på ett fordon.

Om dessutom förhållandet A2/A1 närmar sig 1 kan pipan 6, genom användning av pressdragna stolpar 10 i slutrörets 3 mantel, pipan 6 enkelt förbindas med slutröret 3, exempel- vis genom svetsning.

Filtrets 9 resistiva förluster, det s k strömningsmot- ståndet, anpassas noggrant genom val av A2/Al-förhållandet, genom val av önskad längdreducering, genom dämpning av P1 max samt tillåtna värden på sidbandsförstärkningar. 10 15 20 25 30 35 502 786 8 Strömningsmotståndet bör dock ligga inom intervallet 5- ieoo Ns/mfl, Ns/m3. Filtret 9 bör placeras på avståendet minst 0,6 men företrädesvis 0,9 gånger avståndet L2 från gaveln 8. Pipan men företrädesvis inom intervallet 30-300 6 behöver inte nödvändigtvis vara anordnad inom slutrörets 3 centrala delar.

En ytterligare utföringsform av uppfinningen, vilken i och för sig kan kombineras med de övriga utföringsformerna, innebär i princip att A2/Al-förhållandet överdimensioneras samt att man med hänsyn till sidbandsförstärkningarna anordnar ett kontrollerat akustiskt läckage i pipans 6 gavelområde 8. Detta kan åstadkommas genom införande av ett läckagefilter ll. Läckagefiltret kan lämpligtvis utgöra själva gaveln 8.

I likhet med filtret 9 måste läckagefiltret ll anpassas efter A2/Al-förhållandet i systemet efter val av läckage- filterarean, efter önskad längdreduktion, efter dämpnings- behovet för Pl max samt acceptansen av sid- bandsförstärkningar i systemet.

Läckage-filtret ll ges, oavsett utbredningsarea, lämpligen en mycket begränsad genomsläpplighet, eller närmare bestämt mindre än 1% av Al minus A2, genomströmningsarea för röret 3. dvs mindre än 0,01 ggr Enklaste utförandet på läckagefiltret 11 kan utgöras av ett eller flera mycket små hål 12 i gaveln 8 eller i pipans 6 mantel, Dessa håls 12 sammanlagda area A3 dimensioneras utifrån att A3 är max 0,01 ggr Al minus A2. Hålens 12 diameter ligger företrädesvis i området 3-5 mm.

I syfte att även åstadkomma ljuddämpning för högre ordnin- gar av stående vågor inom systemet, exempelvis för den andra stående vågen = Å (fig 1) kan pipan 6 kompletteras med en ytterligare delpipa 13. Dess längd L3 är väsentligen 1/4 av längden L. 10 502 78 9 helt Naturligtvis kan delpipan 13 i Dess utföringsform kan i övrigt, eller delvis, överensstämma med pipan 6. sig själv utgöra en utföringsform av uppfinningen.

Filtret 9 traditionell värmetâlig glasull alternativt sinter- eller stålullsinsatser.

Används normala glasullsskivor (med specifikt strömnings- motstånd på ca 50 KNs/m4 per tjocklek 50 mm) kan tjockleken för filtret 9 begränsas till 2 - 3 mm.

Uppfinningen är inte begränsad till de beskrivna utförings- och/eller läckagefiltret 11 kan utgöras av formerna utan kan naturligtvis varieras inom ramen för patentkraven. b

Claims (8)

10 15 20 25 30 35 502 786 10 PATENTKRAV

1. Anordning för ljuddämpning i ett kanal- eller rörsystem för strömmande gaser, i synnerhet ett avgassystem anordnat för förbränningsmotorer, innefattande minst ett rör (3) som står i förbindelse med minst två volymer eller öppningar, exempelvis i och/eller ett kanal/rörutlopp (4), på sådant sätt att multiplar av stående form av en ljuddämpare (1) vågor kan uppstå i röret (3) mellan bägge volymerna eller öppningarna, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att åtminstone en pipa (6) är anordnad i röret (3), att pipans (6) ena ände utgör ett inlopp (7) och att pipans (6) andra ände är helt eller delvis tillsluten, att pipans (6) längd är minst 0.75, företrädesvis minst 0.90 av rörets (3) halva längd L och/eller att en delpipa (13) är minst 0.75, företrädesvis minst 0.9 av l/4 av längden L och, att inom området för pipans (6,l3) inlopp (7) är anordnat ett akustiskt genomsläppligt filter (9).

2. Anordning enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att filtret (9) intervallet 5-2000 Ns/m3 företrädesvis inom intervallet 30- 300 Ns/m3. uppvisar ett strömningsmotstànd inom

3. Anordning enligt något av patentkraven 1 och 2, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att pipans (6,l3) tvärsnittsarea (A2) är större än 5%, företrädesvis minst 20% av rörets (3) tvärsnittsarea (Al).

4. Anordning enligt något eller några av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, 10 15 20 25 30 502 786 ll att pipan (6,13) är försedd med en gavel (8) som är begränsat gas- och/eller ljudgenomsläpplig.

5. Anordning enligt något eller några av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att pipan (6,13) är försedd med ett läckagefilter (ll) och/eller hål (12) med ljudgenomsläpplighet, varvid totala genomsläpplighetsgraden begränsad gas- och/eller är mindre än 1% av rörets (3) genomströmningsarea (Al-A2).

6. Anordning enligt något eller några av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att filtret (9) är anordnat på ett avstånd av minst 0.6 ggr, företrädesvis minst 0.9 ggr L2 från gaveln (8).

7. Anordning enligt något eller några av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, (6,13) centrala delar. att pipan är monterad i eller nära rörets (3)

8. Anordning enligt något eller några av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att pipan (6,13) är fast anordnad i röret (3) via djupdragna stolpar (10).