Der Resonatorschalldämpfer (1) weist voneinander beabstandet angeordnete Kammern (12) auf. Die Resonatoreigenschaft lässt sich verbessern, indem die Wechselwirkung zweier auf eine Hauptfrequenz ausgelegte Kammern (12) durch den Abstand reduziert wird.
Die Dämpfungsfähigkeit der Gesamtheit der auf eine Hauptfrequenz ausgelegten Kammern kann dadurch gesteigert werden.
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Abgasturbolader für Brennkraftmaschinen.
Sie betrifft einen Resonatorschalldämpfer gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Sie betrifft ferner eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Resonatorschalldämpfer.
Massgeblich für die Lärmemissionen eines Abgasturboladers für Brennkraftmaschinen ist der Verdichter. Insbesondere werden am druckseitigen Austritt des Verdichters hohe Lärmpegel in die luftführenden Leitungen eingeleitet, für deren Dämpfung es bislang keine zufriedenstellende Lösung gibt.
Bei im Strömungskanal angeordneten Absorbern ergibt sich das Problem, dass durch die hohen Strömungsgeschwindigkeiten der komprimierten Luft das Absorbermaterial durch die Lochblechabdeckungen ausgeblasen wird. Durch Ablagerung des Materials in den meist nachfolgenden Kühlern können diese verstopft werden. Auch sind die auf mineralische Basis hergestellten Fasermaterialen in den nachfolgenden Motorenkomponenten der Brennkraftmaschinen unerwünscht.
Auf dem Prinzip eines Helmholtz-Resonators beruhende Schalldämpfer bestehen aus einer oder mehren Kammern, welche mittels eines Blechs mit darin eingelassenen Öffnungen abgedeckt werden. Die Luft in der Kammer dient den schwingenden Luftmassepfropfen in den Öffnungen als Feder. Die hohe Strömungsgeschwindigkeit der am Schalldämpfer vorbeigeführten komprimierten Luft führt jedoch dazu, dass ein erheblicher Teil der schwingenden Luftmasse abgeschert wird. Der schwingende Luftpfropfen wird kleiner. Dies führt zu Verstimmung der Auslegefrequenz und zum Nachlassen der Dämpfungswirkung. Herkömmliche Resonatorschalldämpfer sind demzufolge bei Strömungsgeschwindigkeiten des vorbeifliessenden Mediums von bis zu 100 m/s nicht ausreichend wirksam.
Aus
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schalldämpfer der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten eine verbesserte und über einen breiten Frequenzbereich wirksame Dämpfung zeigt.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe mit einem Schalldämpfer mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Der Resonatorschalldämpfer weist mehrere Kammern auf, welche einen Strömungskanal zumindest teilweise umschliessen. Die Kammern sind gegen den Strömungskanal hin durch ein Abdeckblech vollständig abgedeckt. Das Abdeckblech weist zum Strömungskanal hin mehrere, entlang dem Umfang des Strömungskanals angeordnete, in Strömungsrichtung ausgerichtete Schlitze auf. Mindestens zwei der Kammern sind auf eine Hauptfrequenz ausgelegt. Erfindungsgemäss sind die jeweils auf die Hauptfrequenz ausgelegten Kammern in Strömungsrichtung beabstandet voneinander angeordnet.
Der erfindungsgemässe Resonatorschalldämpfer weist voneinander beabstandet angeordnete Kammern auf. Die Resonatoreigenschaft lässt sich verbessern, indem die Wechselwirkung zweier auf eine Hauptfrequenz ausgelegte Kammern durch den Abstand reduziert wird. Die Dämpfungsfähigkeit der Gesamtheit der auf eine Hauptfrequenz ausgelegten Kammern nimmt zu.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemässen Resonatorschalldämpfers sind die Abstände zwischen zweier auf die Hauptfrequenz ausgelegten Kammern mit mindestens 20 Prozent der Wellenlänge der Hauptfrequenz bemessen.
In einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemässen Resonatorschalldämpfers betragen die Abstände wenigstens 40 Prozent der Abmessung in Strömungsrichtung der auf die Hauptfrequenz ausgelegten Kammern.
Um eine breiteren Dämpfungsbereich zu erhalten, können in den Bereichen zwischen jeweils zwei auf die Hauptfrequenz ausgelegten Kammern weitere, auf eine oder mehrere Nebenfrequenzen ausgelegte Kammern angeordnet werden. Wiederum sind jeweils auf die gleiche Nebenfrequenz ausgelegte Kammern in Strömungsrichtung voneinander beabstandet anzuordnen.
Vorteilhafterweise sind dabei die benachbart angeordneten Kammern auf Frequenzen ausgelegt, welche sich voneinander um wenigstens 20 Prozent unterscheiden.
Mit den jeweils voneinander beabstandet angeordneten, auf unterschiedliche Frequenzen ausgelegten Kammern lassen sich beispielsweise bei einem Abgasturbolader der erste Drehton (Hauptfrequenz) und der zweite Drehton (Nebenfrequenz) des Verdichterlärmes sowie allenfalls weitere, höhere Frequenzen dämpfen.
Alternativ oder zusätzlich kann in den Zwischenraum zwischen den auf eine Frequenz ausgelegten Kammern ein Absorberschalldämpferelement angeordnet werden.
Der auch bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten wirksame erfindungsgemässe Schalldämpfer wird vorteilhafterweise zur Dämpfung des Verdichterlärmes eines Turboladers verwendet. Besonders im Bereich des Ladeluftauslasses, in dem erhebliche Lärmwerte und die genannt grossen Strömungsgeschwindigkeiten auftreten, kann damit eine wesentlicher Beitrag zur angestrebten Verringerung der Lärmemissionen der nachfolgenden luftführenden Komponenten erreicht werden.
Zum Einbau des vorliegenden Schalldämpfers eignet sich besonders der Kompensator, welcher die Verbindung von Verdichteraustrittsspirale und Motorkomponenten darstellt. Durch die Wahl des Kompensators als wesentlicher Einbauort ergibt sich auch die Möglichkeit der Nachrüstung bereits gelieferter bzw. in Betrieb stehender Brennkraftmaschinen.
Ebenfalls günstig ist der Einbau des Schalldämpfers direkt in den Ausgang des spiralenförmigen Verdichtergehäuses. Aufgrund der Lage näher an der Lärmquelle und des etwas engeren Strömungskanals kann die Wirkung des Resonators noch zusätzlich verbessert werden.
Die erfindungsgemässen Schalldämpfer eignen sich allgemein für die Eintritts- bzw. Austrittsbereiche von Strömungsmaschinen.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Nachfolgend sind anhand der Figuren Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen Schalldämpfers dargestellt und näher erläutert. In allen Figuren sind gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
Fig. 1 zeigt einen Resonatorschalldämpfer, wie er etwa in einem Rohrabschnitt zwischen dem Verdichter eines Abgasturbolader und einer Brennkraftmaschine verwendet wird. Bei der Brennkraftmaschine handelt es sich beispielsweise um einen Grossdieselmotor, wie er etwa auf Schiffen oder stationären Anlagen zur Stromerzeugung eingesetzt wird.
Der Resonatorschalldämpfer weist mehrere Resonatorkammern 12 auf, welche von einem Abdeckblech 11 gegen den Strömungskanal 1 hin abgetrennt sind. Im Abdeckblech 11 sind schlitzförmigen Öffnungen 13 vorgesehen. Die einzelnen Kammern sind durch Wandteile 15 unterteilt. Radial aussen sind die Kammern durch Rückwandteile 14 begrenzt. Die Schlitze sind im wesentlichen in Strömungsrichtung ausgerichtet und haben eine Länge, welche vorteilhafterweise mindestens dreimal grösser ist als die Breite. Da die Strömung nicht homogen in eine Richtung verläuft, können die einzelnen Schlitze auch in kleinen Winkeln zueinander angeordnet sein, um dem Strömungsverlauf besser zu entsprechen. Je nach Strömungsverlauf können die Schlitze auch gebogen ausgebildet sein. Die Tiefe der Schlitze kann beispielsweise über die Dicke des Abdeckbleches realisiert werden. Alle drei Grössen (Länge, Breite und Tiefe der Schlitze) haben, ebenso wie die Anzahl der Schlitze pro Kammer sowie die Abmessungen der Kammern, einen direkten Einfluss auf das Dämpfvermögen des Schalldämpfers.
In der dargestellten Ausführungsform umfasst der Schalldämpfer vier in Strömungsrichtung nacheinander angeordnete Resonatorkammern. Die Kammern können durch separate Abdeckbleche oder aber durch ein oder mehrere gemeinsame Abdeckbleche abgedeckt sein. Die Resonatorkammern sind zur Dämpfung einer bestimmten Frequenz ausgelegt. Die Frequenz kann durch Veränderung der Kammergeometrie sowie durch die Anzahl und die Abmessungen der Schlitze im Abdeckblech festgelegt werden.
Die vier Resonatorkammern sind voneinander beabstandet angeordnet. Zwischen jeweils zwei Kammern ist also ein Abstand a vorhanden, dank dem sich die einzelnen Teilresonatoren nicht gegenseitig in ihrer Wirkung beeinflussen.
Zur Erfindung führende Überlegungen und anschliessende Untersuchungen haben gezeigt, dass der Abstand a mindestens 20 Prozent der Wellenlänge derjenigen Frequenz betragen sollte, welche von den Kammern gedämpft wird und für welche diese also ausgelegt sind.
Eine andere Auslegungsgrösse des Abstandes a ist die absolute Abmessung der Kammern in Strömungsrichtung, wobei der Abstand der Kammern vorzugsweise mindestens 40 Prozent der Abmessung b der Kammern in Strömungsrichtung ausmacht.
Der Bereich zwischen zwei auf eine bestimmte Frequenz ausgelegt Kammern kann mit einem Absorberelement oder mit einem auf eine andere Frequenz abgestimmten Resonatorelement genutzt werden.
Ein solcher Resonatorschalldämpfer mit auf unterschiedliche Frequenzen ausgelegten Kammern ist in Fig. 2 dargestellt. Zur besseren Unterscheidbarkeit sind die Kammern 121 für die Hauptfrequenz mit hellen Abdeckblechen gezeichnet, während die dazwischen angeordneten Kammern 122, welche auf eine Nebenfrequenz ausgelegt sind, mit dunklen Abdeckblechen gezeichnet sind. Erfindungsgemäss unterscheiden sich die beiden Frequenzen um mindestens 20 Prozent, d.h. die höhere Nebenfrequenz ist mindestens 20 Prozent höher als die Hauptfrequenz. In der Praxis kann die Hauptfrequenz etwa auf den ersten Drehton des Abgasturboladers im Nennbetriebspunkt festgesetzt sein, während die Nebenfrequenz etwa dem zweiten Drehton entspricht. Durch geringe Abweichungen der Haupt- bzw. Nebenfrequenzen kann die Dämpfung im unmittelbaren Nachbarbereich der Haupt- bzw. Nebenfrequenz zusätzlich verbessert werden.
Je nach absoluter Höhe der zu dämpfenden Frequenzen können die Öffnungsverhältnisse der Schlitze bezüglich der Fläche der Abdeckbleche bis gegen 50 Prozent betragen.
Die auf die Nebenfrequenz ausgelegten Kammern des Resonatorschalldämpfers können wie die auf die Hauptfrequenz ausgelegten Kammern als Helmholtzresonator oder durch entsprechendes Anpassen der axialen Kammerdimensionen als λ/2-Resonator (Lambda-Halbe-Resonator) erfolgen. Die axiale Dimensionen der λ/2-Resonatorkammern sollten erfindungsgemäss im Bereich von 90 bis 120 Prozent der halben Wellenlänge der zu dämpfenden Frequenz liegen.
Obwohl sich der erfindungsgemässe Schalldämpfer mit den im wesentlichen in Strömungsrichtung ausgerichteten Schlitzen besonders gut für den Bereich des Verdichterabströmbereichs eignet, kann er auch in anderen Bereichen der Strömungskanäle eingesetzt werden, beispielsweise im Ansaugbereich des Verdichters oder auch turbinenseitig.
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