DE19849698A1

DE19849698A1 - Schalldämpfer

Info

Publication number: DE19849698A1
Application number: DE1998149698
Authority: DE
Inventors: Andreas Pfeifer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-10-28
Filing date: 1998-10-28
Publication date: 2000-05-04

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schalldämpfer für mit konstanter Drehzahl laufende Verbrennungsmotoren, deren schallzudämpfendes Abgas auch tieffrequente Schallanteile einer im wesentlichen konstanten Wellenlänge aufweist, insbesondere zur Schalldämpfung bei dezentralen Blockheizkraftwerden. Nach der Erfindung ist vorgesehen, daß der Schalldämpfer aus einem Rohr (1) mit einer Abgasein- (2) und einer Abgasaustrittsöffnung (3) besteht, wobei zwischen diesen beiden Öffnungen (2, 3) im Rohrverlauf zwei Anschlußstellen (4, 5) angeordnet sind, die über ein Bypassrohr (6) miteinander verbunden sind. Ferner entspricht der Differenzbetrag zwischen der Bypassrohrlänge und der Rohrlänge zwischen den beiden Anschlußstellen (4, 5) gerade einem ungeradzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge des zu dämpfenden Abgasschalls.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schalldämpfer insbesondere für mit konstanter Drehzahl laufende Verbrennungsmotoren als Teil de zentraler Blockheizkraftstationen gemäß Oberbegriff des Patent anspruches 1.

Derartige Schalldämpfer kommen insbesondere zur Abgasschall dämpfung der Antriebskomponente von sogenannten dezentralen Blockheizkraftstationen oder Notstromaggregaten zur Verwendung, wie sie bspw. in Baulichkeiten, wie Kliniken, Erholungszentren od. dgl. installiert werden. Solche kleinen "Blockheizkraft werke" bestehen aus einem von einem Verbrennungsmotor angetriebenen Generator. Wirtschaftlich sind solche dezentralen Blockheizkraftstationen insofern, als der vom Generator er zeugte Strom und auch die Abwärme des Verbrennungsmotors ge nutzt werden können. Unerwünscht bzw. nachteilig ist allerdings dabei die vom Verbrennungsmotor ausgehende Lärmbelästigung, die mittels der genannten Schalldämpfer möglichst reduziert werden soll.

Bisher werden dafür Schalldämpfer bspw. nach der DE 35 09 033 verwendet, bei denen es sich um aus dem Fahrzeugbau bekannte, sogenannte Reflexionsschalldämpfer handelt, die geeignet sind, breitbandige Signale zu dämpfen. Nachteilig verursacht die Schalldämpfung aber aufgrund des bei diesen Schalldämpfern relativ hohen Druckverlustes (Abgasgegendruck) gleichzeitig auch eine Leistungsminderung der jeweiligen Blockheizkraft station.

Bezüglich der Schalldämpfung ist ein anderer, nachteiliger Faktor noch wesentlicher, nämlich der, daß beim drehzahlkon stanten Betrieb eines Verbrennungsmotors ein tieffrequenter Einzelton entsteht, dessen Frequenz gleich der Zündfrequenz des Verbrennungsmotors ist. Dieses tieffrequente Geräusch, das je nach Drehzahl und Anzahl der Zylinder etwa im Bereich zwischen 50 und 300 Hz liegt, kann mit dem vorerwähnten Reflex ionsschalldämpfer nur mit den oben erwähnten Einschränkungen oder einem Absorptionsschalldämpfer von in der Regel nicht vertretbarer Baulänge reduziert werden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demgemäß darin, einen baulich möglichst einfachen Schalldämpfer zu schaffen, mit dem im Rahmen der Schalldämpfung von mit konstanter Dreh zahl betriebenen Verbrennungsmotoren insbesondere tieffrequente Schallanteile wirkungsvoll reduzierbar sind.

Diese Aufgabe ist mit einem Schalldämpfer der eingangs ge nannten Art gemäß der im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.

Der der erfindungsgemäßen Lösung der Aufgabe zugrundeliegende Gedanke besteht darin, den Abgasstrom in zwei Teilströme aufzuteilen, wobei ein Teilstrom des Abgases abgezweigt und derart umgeleitet wird, daß sich bei Wiederzusammenführung der Teilströme die Schallwellen der beiden Teilströme gegenseitig aufheben. Dies ist möglich, wenn die Differenz von Bypass- und Rohrlänge zwischen den beiden Anschlußstellen gerade einem ungeradzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge des zu dämp fenden Abgasschalls entspricht. Konstruktiv schlägt sich dies in einem aus einem Rohr mit Abgaseintritts- und Abgasaustritts öffnung bestehenden Schalldämpfer nieder, bei dem zwischen den beiden Öffnungen im Rohrverlauf zwei durch einen Bypass verbundene Anschlußstellen angeordnet sind, wobei das, was hier und nachfolgend als Bypass bzw. Bypassrohr bezeichnet ist, den direkten und kürzeren Weg des Abgases von der Einlaß- zur Auslaßöffnung darstellt.

Die Maßgabe, daß der Differenzbetrag einem ungeradzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge des zu dämpfenden Abgas schalls entsprechen soll, ist mathematisch gleichbedeutend mit

wobei Δl der Differenzbetrag, l die Wellenlänge des Abgas schalls und m = 0, 1, . . ., n ist.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des Schalldämpfers besteht darin, daß das Rohr des Schalldämpfers den gleichen Querschnitt wie der Bypass bzw. das Bypassrohr aufweist. Damit ist sichergestellt, gleiche Strömungsgeschwindigkeiten beider Teil ströme vorausgesetzt, daß gleiche Abgasvolumenströme aufein ander treffen.

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, daß das Rohr des Schalldämpfers u-förmig gebogen ausgebildet ist und somit zwei Schenkel mit jeweils einer Anschlußstelle aufweist, die über den Bypass miteinander verbunden sind.

Ferner ist vorteilhaft vorgesehen, daß entweder die Rohrlänge zwischen den beiden Anschlußstellen oder die Bypassrohrlänge teleskopartig verstellbar ist. Damit kann nach Festlegung des Betriebspunktes des Verbrennungsmotors die erforderliche Länge des Rohres (wie bei einer Posaune) eingestellt werden, wobei zu beachten ist, daß die sich einstellende Wellenlänge des Abgases u. a. auch eine Funktion der Abgastemperatur ist.

Vorteilhaft besteht das teleskopartige Rohr aus zwei ineinander geschobenen Einzelrohren. Das äußere Rohr weist dabei ein Außengewinde auf, auf das eine Überwurfmutter aufgeschraubt ist, die an ihrem einen Ende ein zum Außengewinde passendes Innengewinde aufweist und an ihrem anderen Ende durch messergleich zum inneren Rohr ausgebildet ist, wobei zwischen dem Rohrende des äußeren Rohres und der Überwurfmutter eine auch mit dem inneren Rohr in Kontakt stehende Dichtung ange ordnet ist.

Bevorzugt wird eine ebenfalls noch näher zu erläuternde Ausführungsform des Schalldämpfers nach den Ansprüchen 7 bis 9, die nach dem gleichen Interferenzprinzip arbeitet und die vorteilhaft mit einer kompakten und uniaxialen Bauweise zu verwirklichen ist.

Um bei einer dezentralen Blockheizkraftstation auch das oben erwähnte höherfrequente Rauschen möglichst zu reduzieren, ist schließlich vorteilhaft vorgesehen, daß der erfindungsgemäße Schalldämpfer, der auch als Interferenzschalldämpfer bezeichnet werden kann, in Kombination mit einem an sich bekannten Absorptions- oder Reflexionsschalldämpfer verwendet wird.

Der erfindungsgemäße Schalldämpfer und dessen vorteilhafte Weiterbildungen werden nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 in Seitenansicht einen u-förmig ausgebildeten Schall dämpfer mit Bypassrohr;

Fig. 2 perspektivisch den Schalldämpfer gemäß Fig. 1;

Fig. 3 in Seitenansicht einen Schalldämpfer gemäß Fig. 1, aber mit posaunenartig verstellbarem Rohr;

Fig. 4 perspektivisch den Schalldämpfer gemäß Fig. 3;

Fig. 5 im Schnitt einen Teil des teleskopartig ausgebildeten Rohres und

Fig. 6 schematisch und im Schnitt die bevorzugte Ausführungs form des Schalldämpfers.

In den Fig. 1 und 2 ist ein Schalldämpfer dargestellt, der zur Schalldämpfung von mit konstanter Drehzahl laufenden Verbren nungsmotoren dient, also hier insbesondere zur Schalldämpfung von dezentralen Blockheizkraftstationen, von denen der Verbren nungsmotor selbst ist nicht dargestellt ist. Das über die Eintrittsöffnung 2 in den Schalldämpfer einströmende Abgas hat u. a. und wie erwähnt auch tieffrequente Schallanteile von im wesentlichen konstanter Wellenlänge λ, die es insbesondere zu dämpfen gilt.

Wesentlich ist nun, daß der Schalldämpfer aus einem Rohr 1 mit einer Abgasein- 2 und einer Abgasaustrittsöffnung 3 besteht, wobei zwischen diesen beiden Öffnungen 2, 3 im Rohrverlauf zwei Anschlußstellen 4, 5 angeordnet sind, die über einen Bypass bzw. ein Bypassrohr 6 miteinander verbunden sind, wobei der Differenzbetrag Δl zwischen der Bypassrohrlänge und der Rohr länge zwischen den beiden Anschlußstellen 4, 5 gerade einem ungeradzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge λ des zu dämpfenden Abgasschalls entspricht.

Schallwellen sind Longitudinalwellen, deren Wellenlänge λ mit Hilfe der folgenden Gleichung bestimmbar ist [siehe Hering, Ekbert: Physik für Ingenieure, 3. Auflage, Seite 384 und 389, VDI-Verlag 1989]:

wobei f die Frequenz, χ der Isentropenexponent, p der Druck, t die Abgastemperatur, c₂₀ die Schallgeschwindigkeit bei 20°C und ρ die Dichte des Abgases ist. Geht man bspw. davon aus, daß

p ≈ 1 bar ρ = 1,2 Kg/m³
t = 150°C, f = 50 Hz und c₂₀ = 285 m/s

beträgt, dann ergibt sich eine Wellenlänge λ von etwa 8,4 m. Der oben genannte Differenzbetrag Δl muß bei diesem Beispiel also ca. 4,2 m betragen. Bei zunehmender Frequenz wird λ/4 kleiner.

Der in Fig. 1 und 2 dargestellte Schalldämpfer ist u-förmig ausgebildet und weist zwei Schenkel 7, 8 mit jeweils einer An schlußstelle 4, 5 auf, die über das Bypassrohr 6 miteinander verbunden sind. Dabei ist vorteilhaft vorgesehen, daß das Rohr 1 des Schalldämpfers ungefähr den gleichen Querschnitt wie das Bypassrohr 6 aufweist, denn auf diese Weise werden zwei im we sentlichen gleich große Volumenströme zusammengeführt, wodurch die Schalldämpfung weiter optimiert wird.

Die Fig. 3 und 4 zeigen den Schalldämpfer gemäß Fig. 1, aller dings um eine posaunenartige Rohrlängenverstellung 15 erwei tert, mit deren Hilfe der Schalldämpfer besonders gut an den tatsächlichen Betriebspunkt des Verbrennungsmotors anpaßbar ist. - Je nach konstruktiver Gestaltung des Schalldämpfers ist natürlich auch ein längenverstellbares Bypassrohr 6 zur An passung an den Betriebspunkt geeignet.

In Fig. 5 ist eine mögliche Ausführungsform des zuvor erläu terten längenveränderlichen Rohres dargestellt. Dabei besteht das Rohr 15 aus zwei ineinander geschobenen Einzelrohren 9, 10, deren Durchmesser nur geringfügig voneinander abweicht. Das äußere Rohr 9 weist ein Außengewinde 11 auf, auf das eine Über wurfmutter 12 aufgeschraubt ist, die wiederum an ihrem einen Ende ein zum Außengewinde 11 passendes Innengewinde 13 aufweist und an ihrem anderen Ende durchmessergleich zum inneren Rohr 10 ausgebildet ist. Zwischen dem Rohrende des äußeren Rohres 9 und der Überwurfmutter 12 ist eine mit dem inneren Rohr 10 in Kontakt stehende Dichtung 14 angeordnet, die beim Festziehen der Überwurfmutter neben ihrer Dichtfunktion auch gleichzeitig die beiden Einzelrohre zueinander in axialer Richtung fixiert.

Um nicht nur die Lärmbelästigung durch den tieffrequenten Ein zelton, sondern auch das höherfrequente und breitbandige Rau schen zu reduzieren ist ferner, wie bereits erwähnt, vor gesehen, den (Interferenz-)Schalldämpfer mit einem an sich bekannten Reflexions- oder Absorptionsschalldämpfer zu kombi nieren, was aber, da ohne weiteres vorstellbar, nicht besonders dargestellt ist.

Enthält das Spektrum weitere tieffrequente tonale Anteile, wie z. B. den 1. Oberton der Zündfrequenz des Verbrennungsmotors, so kann diese nach dem gleichen Prinzip durch eine in Reihe ge schaltete zweite Stufe des Interferenzschalldämpfers gedämpft werden.

Bezüglich der bevorzugten Ausführungsform wird auf Fig. 6 verwiesen, die im Vergleich zum vorbeschriebenen Ausführungs beispiel die elegantere, uniaxiale Bauweise des Schalldämpfers verdeutlicht.

Bei dieser Ausführungsform ist das Rohr 1 mit Perforationen 4' bzw. Löchern, wie bspw. dargestellt, im etwa hälftigen, abströmseiten Teil T seiner Länge L versehen. Außerdem enthält dieses Rohr 1 eine beidendig offene Schiebehülse 16, die etwa mittig mit jeweils einem Teil der Perforationslöcher zum Fluchten bringbare Rückströmöffnungen 5' aufweist. Ferner ist daß Rohr 1 mit Abstand mit einem an seinen Enden nach außen abgeschlossenen Außenrohr 17 umgeben, das mit dem Rohr 1 den Bypass 6 zwischen einer zuströmseitigen Abgasteilstromöffnung 2' des Rohres 1 und den Rückströmöffnungen 5' der Schiebehülse 16 begrenzt, in welche Rückströmöffnungen 5' und damit in die Schiebehülse 16 der außengeführte Abgasteilstrom nach Passage der jeweils fluchtend stehenden Perforationslöcher gelangt und sich dort mit dem die Schiebehülse direkt axial passierenden Abgasstrom wieder vereinigt.

Um die erforderliche Bypasslänge zu verwirklichen, ist im ringzylindrischen Raum 18 zwischen den beiden Rohren 1 und 17 ein strömungsführender Bypassschneckengang 19 angeordnet. Um ferner eine ausreichende Fluchtung zwischen den Per forationslöchern im Rohr 1 und den Rückströmöffnungen 5' in der Schiebehülse 16 sicherzustellen, sind diese Rückström öffnungen 5' vorteilhaft in Form von sich im wesentlichen in axialer Richtung erstreckender Langlöcher, wie bspw. darge stellt, ausgebildet.

Für die Position der Schiebehülse 16 im Rohr 1 ist natürlich auch hier wieder wesentlich, daß gerade wieder eine Weg differenz von einer halben Wellenlänge entsteht. Die Mittel zur Einstellung und Fixierung der Schiebehülse 17 in ihrer Dämpfungsposition sind nicht besonders dargestellt, da sich dafür und wie ohne weiteres vorstellbar die unterschiedlichsten konstruktiven Möglichkeiten bieten.

Zur Vorstellungserleichterung bzgl. der stark schematisierten Darstellung in Fig. 6 sei nur vorsorglich darauf hingewiesen, daß sich die Perforationslöcher 4', wie erwähnt, im stationären Rohr 1 befinden und die Rückströmöffnungen 5' in der axial im Rohr 1 verstellbaren Schiebehülse 16, bei deren Verstellung nach rechts in Fig. 6 sich die Bypasslänge entsprechend vergrößert.

Claims

1. Schalldämpfer für mit konstanter Drehzahl laufende Verbren nungsmotoren, deren schallzudämpfendes Abgas auch tief frequente Schallanteile einer im wesentlichen konstanten Wellenlänge (λ) aufweist, insbesondere zur Schalldämpfung bei dezentralen Blockheizkraftwerken, dadurch gekennzeichnet,
daß der Schalldämpfer aus einem Rohr (1) mit einer Abgasein- (2) und einer Abgasaustrittsöffnung (3) besteht, wobei zwischen diesen beiden Öffnungen (2, 3) im Rohrverlauf zwei Anschlußstellen (4, 5) angeordnet sind, die über einen By pass (6) miteinander verbunden sind, und
daß der Differenzbetrag zwischen der Bypass- und der Rohr länge zwischen den beiden Anschlußstellen (4, 5) gerade einem ungeradzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge (λ) des zu dämpfenden Abgasschalls entspricht.

2. Schalldämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (1) des Schalldämpfers einen Querschnitt auf weist, der dem des Bypasses (6) entspricht.

3. Schalldämpfer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (1) des Schalldämpfers u-förmig ausgebildet ist und zwei Schenkel (7, 8) mit jeweils einer Anschlußstelle (4, 5) aufweist, die durch den Bypass (6) miteinander ver bunden sind.

4. Schalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrlänge zwischen den beiden Anschlußstellen (4, 5) mittels eines teleskopartigen Rohres (15) einstellbar ist.

5. Schalldämpfer nach einem der Ansprüch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bypasslänge mittels eines teleskopartig ausgebil deten Bypassrohres (16) einstellbar ist.

6. Schalldämpfer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das teleskopartig ausgebildete Rohr (15, 16) aus zwei ineinander geschobenen Einzelrohren (9, 10) besteht, wobei das äußere Rohr (9) ein Außengewinde (11) aufweist, auf das eine Überwurfmutter (12) aufgeschraubt ist, die an ihrem einen Ende ein zum Außengewinde (11) passendes Innengewinde (13) aufweist und an ihrem anderen Ende durchmessergleich zum inneren Rohr (10) ausgebildet ist, wobei zwischen dem Rohrende des äußeren Rohres (9) und der Überwurfmutter (12) eine auch mit dem inneren Rohr (10) in Kontakt stehende Dichtung (14) angeordnet ist.

7. Schalldämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (1) mit Perforationen (4') im etwa hälftigen, abströmseitigen Teil (T) seiner Länge (L) versehen ist und eine beidendig offene Schiebehülse (16) enthält, die etwa mittig mit jeweils einem Teil der Perforationen (4') zum Fluchten bringbare Rückströmöffnungen (5') aufweist, und daß das Rohr (1) in einem an seinen beiden Enden (17') nach außen abgeschlossenen Außenrohr (17) angeordnet ist, das mit dem Rohr (1) den Bypass (6) zwischen einer zuströmseitigen Abgasteilstromöffnung (2') des Rohres (1) und den Rückström öffnungen (5') der Schiebehülse (16) umgibt.

8. Schalldämpfer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß im ringzylindrischen Raum (18) zwischen den beiden Roh ren (1 und 17) ein strömungsführender Bypass-Schneckengang (19) angeordnet ist.

9. Schalldämpfer nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückströmöffnungen (5') in der Schiebehülse (16) in Form von sich im wesentlichen in Achsrichtung erstreckenden Längslöchern ausgebildet sind.

10. Schalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalldämpfer in Kombination mit einem an sich be kannten Absorptions- oder Reflexionsschalldämpfer verwendet wird.