DE341420C - Schalldaempfer fuer Explosionsmotoren - Google Patents

Description

Den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet ein Sehalldämpfer für Explosionsmotoren, bei welchem die Auspuff leitungen gegabelt sind.

Die Erfindung beruht darin, daß- die geteilten Leitungen an den Knotenpunkten der Schallwellen mit wirbelerzeugenden» Ausbuchtungen versehen sind.

Die Dämpfung der Auspuffgeräusche der Explosionsmotoren wird am häufigsten dadurch ίο erzielt, daß die Strömungsarbeit der Auspuffgase in den durch die Form der Schalldämpfer erzeugten Reibungswiderständen vernichtet wird.

Allebisher bekannt gewordenen Schalldämpfer verfolgen die Dämpfung des Explosionsgeräusches durch stärkere oder geringere Drosselung des Stromes der ausgepufften Gase. Diese Drosselung geschieht entweder durch Veränderungen im Querschnitt oder durch Verlängerung des, Gasweges durch schraubenfätonige oder anders gewundene Leitungen. Das Drosseln des Gasstromes, gleichgültig auf welchem Wege dies, erreicht wird,, hat jedoch stets eine Herabminderung der Motorleistung zur Folge·.

Der Ävuspuffvorgang; läßt sich-, so wie er sich abspielt,, sehr schwer gliedern und· die einzelnen Erscheinungen ebenso schwer voneinander scheiden. Zahlreiche Versuche haben ergeben, daß teils scharf erkennbare. Sehwingungsvorgängerein; akustischer Natur vorfanden sind, teils der bei dem Auspuff hervortretende Knall vollständig der Voraussetzung entspricht, unter welcher sich die Entstehung des Knalles herleiten läßt. Dies letztere ist darum hervorzuheben, weil die Absteüiuigi d..h. die Dämpfung dieses Knalles eben aus dieser Erwägung heraus wirkungsvoll erfolgen kann.

Dieser Erkenntnis zufolge muß der Schalldämpfer sowohl das akustische Element des ganzen Vorganges als auch die Knalltheorie bei seiner Konstruktion yoU berücksichtigen, um eine vollkommene Dämpfung zu erzielen.

Wird nur die eine oder die andere Quelle der Auspuffgeräusche berücksichtigt, so führt das bei Berücksichtigung der akustischen Vorgänge zu Anordnungen, wie die Quinckeröhre, welche sich aber — wie es die abgeschlossenen Versuche lehren — als nahezu wirkungslos erweisen, oder wird nur auf die Dämpfung des Knalles auf Grund der Knallhypothese hingearbeitet, dann kann die Dämpfung eiae ganz vorzügliche sein, aber der Grad der Dämpfung steht im geraden Verhältnis z.ur Drosselung. Es kann eine vollständige Dämpfung durch vollständige Drosselung ohne weiteres erzielt werden.

Ein mit einer gewissen Geschwindigkeit aus einer Mündung austretender Körper, gleichviel ob es ein Gasball oder fester Körper ist, erzeugt in der Bewegungsrichtung hinter sich ein Vakuum. In dieses Vakuum strömt nun die umgebende atmosphärische Luft mit großer Geschwindigkeit, erzeugt in der Folge dieses vehementen Strömungsvorganges starke unregelmäßige Schwingungen,,, welche wir als Geräusch oder Knall vernehmen:.

In einer Rohrleitung,, welche die Auspuffgase ableitet, bewegen sich, nun die Gase tatsächlich in Form einzelner Gasballen, welche mit einer bestimmten Distanz aufeinanderfolgen. Bei dem, Austritt dieser einzelnen

Gasballen aus der Rohrmündung entsteht immer ein Knall dem Zeitintervall der einzelnen Explosionen entsprechend. Die Distanz, mit welcher die einzelnen Gasballen einander im Rohre folgen, ist von der Tourenzahl des Motors unabhängig, hängt vielmehr lediglich von der Hubhöhe des Kolbens ab, falb eine Verzögerung durch Reibung nicht eintritt bzw. derart große Rohrquerschnitte zur Anwendung

ίο kommen, daß eine Reibung nicht eintreten kann.

Ist z. B. t die Tourenzahl des Viertaktmotors pro Minute, so ist die Zahl der einzelnen Auspüffe:

t

2'

Ist der Hub des Kolbens h Meter, so ist der Kolbenweg pro'Minute Z't-h und die durchschnittliche Kolbengeschwindigkeit pro Sekunde in Meter

2't-h

^C~~ 60 ■ Dies bei einem Zylinder.

Ist die Zylinderzahl n, so ist die Zahl der Auspüffe pro Sekunde

n-t ^

a_n —

• 60'

Angenommen, daß die Geschwindigkeit, mit welcher der Gasball des Auspuffes ausgestoßen wird, die Geschwindigkeit des Kolbens ist, so ist der Weg, welchen der Gasball durcheilt, »c« in Meter und Sekunde. Die Distanzen erhalten wir also, wenn der Weg c in α Teile zerlegt wird, d. h. die Distanz

und hieraus

und weiter
2 · 60

α· d — c,

η 't

d =

2 · t'

60· ti· t· d = 2 · t · h · 2· 60,

d · η =. 4 · h, ■h

d =

Ist η = 4, so ist d = h.

Bei einem Vierzylindermotor ist also die Distanz der Gasballen gleich der Hubhöhe.

Bei einem Sechszylindermotor ist d = ²/₈ h. Diese Feststellung ist ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung und bei gegenwärtiger Konstruktion derart durchgebildet, daß der aus der Auspufföffnung des Zylinders austretende Gasball in zwei äquivalente Gasballen geteilt wird, wobei der eine einen derart bemessenen längeren Weg geführt wird, daß er sich um eine halbe Distanz verspätet und i dadurch quasi interpolierend das vorhandene ; Vakuum beim Austritt ausfüllt. Durch diese Anordnung ist der Gasaustritt kein stoßweiser mehr, sondern der Ausfluß gestaltet sich ganz j gleichmäßig und der Knall ist vollständig beseitigt.

Es sind zwar schon Schalldämpfer bekannt, die ebenfalls eine Ergänzung der einzelnen Gasballen zu einem Strome bezwecken, verfolgen diesen Zweck aber nicht, wie hier, durch das Ausfüllen des Vakuums durch ein •rechnerisch leicht und sicher zu erfassendes Längenverhältnis der Rohre, sondern durch allerhand Methoden und Anordnungen, welche durchweg nur bezwecken den Lauf des vorhergehenden Gasballens in einer Weise zu hemmen, daß der nachfolgende in diesen eindringt, um solcher Art dem Entstehen des Vakuums vorzubeugen. Es wird also nichts anderes bezweckt und erreicht, als daß die einzelnen Gasballen ineinanderdringen. Der Ausfluß ist in diesem Falle auch ein gleichmäßiger, aber das Ineinanderdringen läßt sich nur erreichen, wenn der vorhergehende Gasball in seiner Bewegung gehindert wird durch Verlangsamung des Gasstromes durch Expansion oder durch Verlängerung des Rohres, wobei dann die vermehrte Reibung und die auf dem langen Wege erfolgte Abkühlung die Verlangsamung der Bewegung hervorruft, zum größten Teile aber durch Drosselung. In jedem Falle sind dies Widerstände, welche der Strömung entgegengesetzt werden und die alle ohne Ausnahme eine Herabminderung der Motorleistung letzten Endes zur Folge haben.

Die Möglichkeit der Schalldämpfung durch Ausfüllen des Vakuums erfüllt aber nicht alle Forderungen eines Schalldämpfers. Ist die Drosselung der angewandten Schalldämpfer nicht groß, dann ist bei Überschreitung einer gewissen Tourenzahl die Dämpfung eine ungenügende, weil sich die Ausflußgeschwindigkeiten und hiermit der Gasdruck steigern, die vorhandene Drosselung aber in diesem Falle das völlige Eindringen des einen Gasballes in den anderen nicht bewirken kann.

Abgesehen hiervon entsteht durch die Anzahl der Auspüffe in der Sekunde ein beträchtlicher akustischer Ton, der zu einer vollständigen Dämpfung auch vernichtet werden muß.

Das Ausfüllen des Vakuums reicht bis zu einer Tourenzahl von etwa goo bis 1 coo pro Minute vollkommen aus. Bei einer Tourenzahl pro Minute von etwa 1000 ist die Auspuffzahl bei einem Vierzylindermotor

4 — = 2 000

und pro Sekunde 2 000 : 60 = 33,2.

33,2 Schwingungen in der Sekunde entsprechen dem Kontra C oder Cis der C_i, also der Kontraoktave hart an der Grenze der Subkontraoktave, Diese Tonlage bedeutet ganz tiefe Töne, welche bei den geringen Gasgeschwindigkeiten bei 900 bis 1000 Touren eine kleine Amplitude haben und nicht aufdringlich hörbar sind.

Bei Steigerung der Tourenzahl auf etwa 1400, was bei voller Fahrt der Kraftfahrzeuge und hauptsächlich dann eintritt, wenn wegen Vollbelastung des Motors mit kleineren Übersetzungen gefahren wird, tritt infolge der gesteigerten Zahl der Erregerschwingungen, weiter durch die größeren Geschwindigkeiten und Gasdrücke hervorgerufenen größere Amplitude ein starker Ton hervor, welcher den überwiegenden Bestandteil dieses Auspuffgeräusches bildet.

ao Nach obiger Erwägung ist dieser Ton bei 1400 Touren mit etwa 47 Schwingungen pro Sekunde etwa Fis oder G der C_x Oktave. Die Wellenlänge dieses Tones -Λ = 340 : 47 etwa 7,3 m. Die entsprechende offene Pfeife etwa 3,60 und die gedeckte Pfeife 1,80 m lang.

Dieser durchdringliche Ton des Kontra G

vereint sich nun mit aufdringlichem Heulen mit dem knatternden Geräusch des Auspuffes.

Soll dieser Ton vernichtet werden, so muß eine akustische Interferenz bewerkstelligt werden, was an sich bekannt ist.

Die im Schalldämpfer als geschlossenes Gefäß eingeschlossene Gasmasse schwingt aber auch im Eigenton. Ist das Gefäß auf die Schwingungszahl der Erregerschwingungen abgestimmt, dann fällt die Interferenz des Schalldämpfers mit der Interferenz des eben behandelten akustischen Tones überein. Werden also die Rohrlängen derart gewählt, daß eine Interferenz für den Ton mit 7,3 m Wellenlänge eintritt, dann wirkt der Schalldämpfer selbst als Resonator, dessen Eigenton auch in der Interferenz der beiden Röhren vernichtet wird. Es ist also nicht ganz genügend, wenn die Rohrlängen nur auf das Ausfüllen des Vakuums bemessen werden, aber es ist sehr günstig die Rohrlängen in einem Verhältnis zur Wellenlänge zu bringen. Die Differenzen der beiden Rohrlängen des in zwei Zweige geteilten Gasstromes sind deshalb so bemessen, daß eine Phasenverschiebung in bekannter Weise mit V₂, ³/₂, ^ε/₂ Wellenlängen erfolgt. Die Rohrlängen sind am besten ¹Z₂-, ¹Z₄- ... oder das 1-, 2-, 3- ... fache der Wellenlänge. Ist z, B.

die Wellenlänge, wie schon hier angeführt, 7,2 m, dann ist -jL : 4 = 1,80 m und die in Anwendung kommenden Grundlängen 0,45, 0,90, 1,80, 3,60 usf.

Bei der praktischen Ausführung zeigt es sich als besonders wirkungsvoll auf den Stellen der Rohrleitungen, wo die Schwingungsknoten sitzen, durch Erweiterung und entprechende Formgebung der Rohre richtige Wirbelorte anzubringen. Diese Wirkung wird noch erhöht, wenn die Rohrleitung beim Ein- und Austritt in und aus dem Wirbelort unterbrochen oder abgesetzt wird. Die Zahl der Wirbelorte muß zusammen in den beiden Leitungen immer eine gerade sein. Je mehr Wirbelorte eingefügt werden, desto besser ist die Dämpfungswirkung. Die Querschnitte sind, abgesehen von der Forderung, daß durch beide Rohrzweige dieselbe Gasmenge gehen muß, für die Dämpfung ganz gleichgültig, weshalb diese so weit gewählt werden können, daß eine Herabminderung der Motorleistung unter keinen Umständen erfolgen kann.

Auf der Zeichnung ist die Erfindung an mehreren Ausführungsformen schematisch zur Veranschaulichung gebracht.

Fig. r zeigt einen Schalldämpfer im Schnitt, welcher für stationäre Motoren in Anwendung kommt.

Der Schalldämpfer wird in bekannter Weise an den Auspuff des Motors angehängt. Die Auspuffgase treten durch den Stutzen α in den Schalldämpfer, teilen sich hier in zwei Ströme, die in den Rohren δ und c zu den Wirbelorten d und e strömen und dann durch die Rohre f und g über den Interferenzraum m, wo sich die Gasballen der beiden Leitungen entsprechend den vorstehend aufgestellten Berechnungen zu einem zusammenhängenden Strom ineinanderschieben und durch den Auspuff η geräuschlos ins Freie treten.

Fig. 2 und 3 zeigen in Vorderansicht und Längsschnitt eine Ausführungsform, die sich vorzugsweise für Flugzeuge eignet.

α ist der Eintritt für die Auspuffgase, die sich in dem Schalldämpfer in zwei Ströme teilen, von denen der eine durch das Rohr b in den durch Rohrerweiterungen gebildeten Wirbelort d strömt und durch das Rohr f in den Raum m geleitet wird, während der zweite Gasstrom erst über den längeren Weg durch das Rohr c, Wirbelort e, Rohr g, Wirbelort h, Rohr i, Wirbelort k und Rohr I zu dem Interferenzraum m gelangt.

Fig. 4, 6 und 8 zeigen Schalldämpferanordnungen für Kraftfahrzeuge, und zwar aufgerollt dargestellt, während

Fig. 5, 7 und 9 Ansichten der einzelnen dazugehörenden Kammerböden zeigen.

In den Ausführungsbeispielen nach Fig. 4 und 6 besteht der Schalldämpfer in der Hauptsache aus einer Anzahl entweder in einer oder mehreren Ebenen liegenden Rohre, die in Bündeln auf Scheiben angeordnet sind, über welche ein Mantelgehäuse gezogen wird, so daß die einzelnen Scheiben zwischen sich als Wirbelorte dienende Kammern bilden, in die die Rohre münden.

Claims (1)

1. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 besteht noch der Unterschied, daß ähnlich wie bei der Ausführung nach Fig. i, die Leitungen ans zwei ineinandergesteckten Rohren bestehen, von denen das eine als Zuleitung, das andere als Ableitung aus den Wirbelorten dient.

   Die Wirkungsweise ist aonst im wesentlichen dieselbe. Jeder Apparat besitzt eine Verteilerkammer Y₁ jn welcher sich der Gasstrom in ίο zwei Teile teüt, eine gerade Anzahl Wirbelkammern W raid endlich eine Interferenzkammer J, in der sich die. Gasströme wieder vereinigen.

   Bei der Ausführung nach Kg, 6 ist noch eine Mischkammer M zwischengeschaltet,, damit der Auspuff nicht direkt ins Freie erfolgt.

   • Patent-Ansprüche;

   i. Schalldämpfer für Explosionsmotoren, zo bei welchem die Auspuffleitungea gegabelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die geteilten Leitungen an den Knotenpunkten der Schallwellen mit wirbelerzeugenden Ausbuchtungen: versehen sind»
   2, Schalldämpfer nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrleitungen bei Eintritt und Austritt aus dem Wirbelort in ihrem Zusammenhange unterbrochen sind.

   3, Schalldämpfer nach Anspruch ϊ und 2, dadurch gekennzeichnet* daß die, Längenabmesaungen. der Rohrleitungen dem akustischen Ton» welchen die sekundliche Auspuffzahl des Motors ergibt, entsprechen»

   4. Schalldämpfer nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die GesamtanzaM derWirbeloste in den beiden Leitungen zusammen immer eine gerade Zahl ist.

   5„ Schalldämpfer nach Ansprach 1 bis 4, dadurch gekemazeictuaet,. daß die Wirbeiorte: durch zwei Ineinander eingeführte, in eine Kammer mündende Rohre, hergestellt werden, in dem das eine als ZMeitangs-, das andere als Ableitungsrohr dient.

   6. Schalldämpfer »aeh Anspruch 1 Ms 5, dadurch gekennzeichnet,, daß> die Rohrachsen entweder in. einer odieE raehreien Ebenen liegen <oäßt gebündelt auf einer kreisr- oder beliebig geformtem Kurve angeordnet sind.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.