VERFAHREN UND EINRICHTUNG ZUR VERMINDERUNG DES SCHALLS BEI BRENN¬ KRAFTMASCHINENMETHOD AND DEVICE FOR REDUCING SOUND IN INTERNAL COMBUSTION ENGINES
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vermindern bzw. Transformieren der Schall emi ss ion und hat auch eine Vorrichtung zur Verminderung des Schalls, ins¬ besondere bei Verbrennungsmotoren zum Gegenstand.The invention relates to a method for reducing or transforming the sound emission and also relates to a device for reducing the sound, in particular in internal combustion engines.
Als störend wird bei gleicher Schallemissionsintensität insbesondere der Schal" anteil bei tiefen' Frequenzen, der auch zu Resonanzen führt, empfunden. Gesetzliche Vorschriften machen beispielsweise bei Verbrennungsmotoren Schall¬ dämpferausbildungen zur Auflage.As particularly disturbing the scarf "is at the same sound emission intensity component at low 'frequencies, which also leads to resonances felt. Statutory provisions make for example in internal combustion engines Schall¬ damper formations for resting.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die tieffrequenten inneren Gasdruckschwankungen (Pegel) verantwortlich für die Intensität der Schallweiter¬ leitung, beispielsweise in einem Auspuffsystem sind.The invention is based on the knowledge that the low-frequency internal gas pressure fluctuations (level) are responsible for the intensity of the sound transmission, for example in an exhaust system.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung derart anzugeben, daß beispielsweise auf den Schalldämpfer einer Verbrennungs¬ kraftmaschine verzichtet werden kann.The invention is based on the object of specifying a method and a device such that, for example, the silencer of an internal combustion engine can be dispensed with.
Erreicht wird dies erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art überraschend dadurch, daß der- Freistrahl unmittelbar nach dem Austritt innerhalb der Länge der Kerπzone des Freistrahls zerstört, insbesondere auf¬ geteilt wird.This is surprisingly achieved according to the invention in a method of the type mentioned at the outset in that the free jet is destroyed, in particular divided, immediately after the exit within the length of the core zone of the free jet.
Vorzugsweise geht man dabei so vor, daß die Scherspannung zerstört wird, wodurc insbesondere die bei einer Gasexpansion für den maßgebenden Schall anteil er¬ antwortlichen Quadrupolquellen verringert werden und die damit verbundene Wir¬ belbildung.The preferred procedure is to destroy the shear stress, which in particular reduces the quadrupole sources which are responsible for the decisive sound component in the case of gas expansion, and the associated vortex formation.
Anders ausgedrückt: es wird dafür Sorge getragen, daß die entstehenden Schal 1- frequenzen zu höheren Frequenzen verschoben werden; die leichter dissipieren.In other words, care is taken to ensure that the resulting switching frequencies are shifted to higher frequencies; that dissipate more easily.
Eine vorzugsweise Vorrichtung zur Verminderung des Schall ss entstehend in der Expansionszone, insbesondere bei Verbrennungsmotoren an Auslaßventilen, ist gekennzeichnet durch Einbauten in der Strah kernzone des Strömuπgsfeldes unmittelbar hinter dem Auslaßventil.A preferably device for reducing the sound s s arising in the expansion zone, in particular in internal combustion engines on exhaust valves, is characterized by installations in the core zone of the flow field immediately behind the exhaust valve.
Durch die Maßnahme nach der Erfindung wird es möglich, die Schallemission eines Abgas- bzw. Gasvolumenstroms aus einem (Auslaß)-Ventil im allgemeinen und insbesondere eines VerbrennungsmotorsThe measure according to the invention makes it possible to reduce the sound emission of an exhaust gas or gas volume flow from an (exhaust) valve in general and in particular from an internal combustion engine
- frequenzmäßig zu höheren Frequenzen zu transformieren,- transform in frequency to higher frequencies,
- in ihrer Intensität L(dB) stark zu ve__minde.ni (bis zu 20 άBA) ,
- Resonanzerscheinungen tieffrequenter Schwingungen in einem angeschlossenen Rohrleitungssystem, beispielsweise der Schalldämpferanlage, zu verhindern, sowie- in their intensity L (dB) strongly to ve__minde.ni (up to 20 άBA), - to prevent resonance phenomena of low-frequency vibrations in a connected piping system, for example the silencer system, and
- den Strömungswiderstand im Austrittskanal in Ventilnähe zu verringern und somit bei einem Verbrennungsmotor zu einer besseren Energieausbeute (Brennstoffeinsparung) beizutragen.- To reduce the flow resistance in the outlet channel near the valve and thus to contribute to a better energy yield (fuel saving) in an internal combustion engine.
Die Kernzone eines Abgasstrahles wird also direkt nach dem Ventilaustritt zerstört bzw. aufgelöst. Damit wird eine bessere Strömungsführung dadurch gewährleistet, daß größere Wirbelbildung verhindert wird. Diese tieffre- quenten Anteile v/erden damit zu höheren Schallfrequenzen verschoben. Die Schallemission in Bezug auf die Schallweiterleitung in dem Gas wird dadurch verringert (Mündungsgeräusche), daß in einem Medium hochfrequente Schall- anteile schneller dissipieren. Ebenfalls wird die örtliche Schallabstrahlung durch die Verringerung der inneren Gasdruckschwankung verringert.The core zone of an exhaust gas jet is therefore destroyed or dissolved immediately after the valve exits. This ensures better flow guidance by preventing larger eddy formation. These low-frequency components are thus shifted to higher sound frequencies. The sound emission in relation to the sound transmission in the gas is reduced (mouth noise) by the fact that high-frequency sound components dissipate more quickly in a medium. The local sound radiation is also reduced by reducing the internal gas pressure fluctuation.
Die unmittelbar hinter dem Auslaßventil angeordneten Einbauten sind insbeson¬ dere bei sich anschließenden gekrümmten Leitungen als Strö ungsgleichrichtεr strömungsgünstig ausgebildet.The internals arranged directly behind the outlet valve are designed to be flow-promoting, particularly in the case of adjoining curved lines, as flow rectifiers.
Nach besonderen Ausführungsformen können die Einbauten im Querschnitt aus einem waben-, röhren-, trapez- oder siebförmigen Gitter bestehen, oderaus weiteren geschwindigkeits- und druckausgleichenden Strömungsgleichrichtern.According to special embodiments, the internals in cross section can consist of a honeycomb, tube, trapezoidal or sieve-shaped grid, or of further flow and pressure compensating flow straighteners.
Günstig ist es, wenn die Länge 1 der Einbauten 1 = (1 - 4)-d und die Teilung t der Waben- oder Röhreneinbauten t = (l/lo - 1/3) -d beträgt, wobei d der charakteristische Durchmesser der Düse, Ringdüse oder Mündung ist.It is advantageous if the length 1 of the internals is 1 = (1 - 4) -d and the pitch t of the honeycomb or tube internals is t = (l / lo - 1/3) -d, where d is the characteristic diameter of the nozzle , Ring nozzle or mouth.
Die Einbauten können eingeschoben, durch einen Sprengring an der Auspuffrohr¬ befestigung gehalten oder am Ventilschaft befestigt sein.The internals can be inserted, held in place by a snap ring on the exhaust pipe attachment, or attached to the valve stem.
In Weiterbildung der Erfindung und zur Unterstützung der Maßnahme und des Herabsetzens der Schallemission soll der Raum im Bereich des Strahlaustritts und der hier vorhandenen Kernzone gegenüber der Abgas-Abführleitung erweitert sein.In a further development of the invention and to support the measure and the reduction of the noise emission, the space in the area of the beam outlet and the core zone present here should be expanded in relation to the exhaust gas discharge line.
Die Erfindung soll nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläu¬ tert werden. Diese zeigen inThe invention will now be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. These show in
Fig. 1 einen Schnitt durch eine Ausführungsform nach der Erfindung;1 shows a section through an embodiment according to the invention.
Fig. 2 einen Schnitt durch Gestaltungen von Einzelheiten
Fig. 3 eine Einzelheit gemäß Fig. 2c;Fig. 2 shows a section through designs of details 3 shows a detail according to FIG. 2c;
Fig. 4 gibt Betrachtungen bezüglich Freistrahlen;Fig. 4 gives considerations regarding free jets;
Fig. 5 Betrachtungen von Freistrahlen in Rohrleitungen wieder; und die Figuren 6 und 7 erläutern die Wirkungen beim An¬ meldungsgegenstand (Verschiebung gegen niederfrequente Schwingungen) . • 5 considerations of free jets in pipelines again; and FIGS. 6 and 7 explain the effects on the subject of the application (shift against low-frequency vibrations). •
Fig. 1 zeigt den Schnitt durch den Zylinderkopf einer Verbrennungskraftmaschine mit dem Auslaßventil 10, den zugeordneten Auslaßventilschlitzen 12 (der Kolben ist bei 14 angedeutet), der Auspuffleitung 16 und der erfindungsgemäßen Ausbildung der Einbauten 18. Diese Einbauten, die im Querschnitt gemäß Fig. 2 ausgebildet sind, sind in den Auslaßkrümmer 20 eingescho¬ ben und in nicht dargestellter Weise, beispielsweise durch Anflanschen an die Auspuffleitung 16 oder durch einen ebenfalls nicht dargestellten Seegerring befestigt. Die Einbauten folgen dem Verlauf des Auslaßkrümmers.Fig. 1 shows a section through the cylinder head of an internal combustion engine with the exhaust valve 10, the associated exhaust valve slots 12 (the piston is indicated at 14), the exhaust pipe 16 and the inventive construction of the internals 18. These internals, which are in cross section according to FIG. 2nd are formed, are pushed into the exhaust manifold 20 and fastened in a manner not shown, for example by flanging onto the exhaust pipe 16 or by means of a circlip, also not shown. The internals follow the course of the exhaust manifold.
In der Darstellung nur angedeutet ist die Erweiterung des Auslaßkrümmers unmittelbar hinter dem Auslaßventil.' Nach der vorzugsweisen nicht dargestellten Ausführungs¬ form ergibt sich eine merkliche Erweiterung unmittelbar hinter dem Austrittsquerschnitt des Ventils.The illustration only indicates the expansion of the exhaust manifold immediately behind the exhaust valve. ' According to the preferred embodiment, not shown, there is a noticeable widening immediately behind the outlet cross section of the valve.
Fig. 2a zeigt im Querschnitt eine rein gitterförmige Ausbildung solcher Einbauten;Fig. 2a shows in cross section a purely lattice-like design of such internals;
Fig. 2b zeigt röhrenförmige aneinander feste Einbauten; Fig. 2c läßt wabenartige Einbauten; Fig. 2d trapezförmige Einbauten erkennen. Die Einbauten können aber auch siebförmig sein. Sie dienen sämtlich dazu, bereits im Bereich der Kernzone den starken Freistrahl in eine Vielzahl möglichst paralleler Strahlen aufzuteilen, die wesent¬ lich weniger turbulent als der ursprüngliche FreistrahlFig. 2b shows tubular internally fixed internals; Fig. 2c leaves honeycomb internals; Fig. 2d recognize trapezoidal internals. The internals can also be sieve-shaped. All of them serve to divide the strong free jet into a large number of parallel rays, which are substantially less turbulent than the original free jet, in the area of the core zone
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sind. Hierdurch werden die oben erwähnten Effekte (Verschiebung zu höherfrequentiger Schallemission und damit verringerte Weiterleitung des Schalls) erreicht. Quadrupolquellen werden zerstört, die Auf¬ teilung erfolgt in kleinere parktisch parallele Strahlen, Deren örtlicher Geschwindigkeitsgradient ist ^^ ^esen lich kleiner. Die Einbauten sind nur insofern in ihrem Vo¬ lumen begrenzt, daß nicht zu hohe Druckvεrluste in Kauf zu nehmen sind.- are. As a result, the above-mentioned effects (shift to higher-frequency sound emission and thus reduced transmission of the sound) are achieved. Quadrupole sources are destroyed, the division into smaller, parallel, parallel beams whose local velocity gradient is ^ ^ ^ ^ eslich smaller. The volume of the internals is limited only to the extent that excessive pressure losses are not acceptable.
Durch das Zerteilen des Freistrahls in einzelne kleinere Strahleinheiten, erglichen mit dem ungestörten Frei¬ strahl, verringert sich also erheblich die Wirbel¬ größe: größere Wirbelballen werden aufgelöst; das schallmäßig entstehende Frequenzspektrum verschiebt sich dadurch zu höheren Frequenzen. Di.es erfolgt ge¬ mäß der Formel:By dividing the free jet into smaller individual jet units, compared with the undisturbed free jet, the vortex size is considerably reduced: larger vortex balls are broken up; the frequency spectrum that is produced in terms of sound shifts to higher frequencies. Tues. it takes place according to the formula:
Sct. _= d • f ' ,bzw. f = St j•—c • S c t. _ = d • f ' , resp. f = St j • —c •
(Strouhalzahl = Durchmesser mal Frequenz dividiert durch Strömungsgeschwindigkeit) .(Strouhal number = diameter times frequency divided by flow velocity).
Somit bedingt ein kleinerer Durchmesser d höhere Fre¬ quenzen bei konstanter Strouhalzahl, wobeiThus, a smaller diameter d results in higher frequencies with a constant number of currents, whereby
St = cons.t. = ca. 0,2 und bei gleichbleibendem Volumendurchsatz (Strömungs¬ geschwindigkeit) . Rechnerisch und meßtechnisch wird dies durch durchgeführte Untersuchungen nachgewiesen, wie die Figuren 6 und 7 erkennen lassen. Die Frequenz¬ verschiebung erkennt man in den Diagrammen 6 und 7. Diagramm 6 gibt den inneren Schalleistungspegel ^ in Abhängigkeit vom Normvolumenstrom V an der Meß- stelle wieder. Es wurde von 6 bar auf ca 40 mbar Ober¬ druck entspannt. '
Bei Diagramm 7 handelt es sich um einen A-bewerteten, äußeren Schalleistungspegel wa ^n Abhängigkeit vom Normvolumengasstrom V bei erheblicher Entspannung, wobei die Verschiebung zu niedrigen Frequenzen deutlich wird.St = cons.t. = approx. 0.2 and with constant volume throughput (flow rate). This is demonstrated by calculations and measurement technology by means of investigations carried out, as can be seen in FIGS. 6 and 7. The frequency shift can be seen in diagrams 6 and 7. Diagram 6 shows the internal sound power level as a function of the standard volume flow V at the measuring point. The pressure was released from 6 bar to about 40 mbar. ' In Diagram 7 is an A-weighted, sound power level outer wa ^ n, depending on the standard volume gas stream V with a considerable relaxation, wherein the displacement at low frequencies can be seen.
Einer Verschiebung zu einem höheren Frequenzbereich wird also zu einer geringeren Schallweiterleitung und - einer Verringerung der örtlichen Schallabstrahlung. Dies kann man sich bei Betrachtung der allgemeinen Verhältnisse klarmachen. Die Diagramme 4 und 5 geben Untersuchungen an Ringdüsen und Ventilen wieder. Diese Diagramme lassen eine Abschätzung der Ergebnisse für ungedämpfte und gemäß der Erfindung gedämpfte Verhältnisse zu.A shift to a higher frequency range will result in less sound transmission and - a reduction in local sound radiation. This can be seen when considering the general conditions. Diagrams 4 and 5 show investigations on ring nozzles and valves. These diagrams allow an estimation of the results for undamped and damped conditions according to the invention.
Fig. 5 zeigt mittlere Strömungsgeschwindigkeiten und Geschwindigke.itsschwankungen von Freistrahlen in Rohr¬ leitungen und zwar im linken Teil für Düsen, im rechten Teil für Ringdüsen.5 shows average flow velocities and speed fluctuations of free jets in pipes, in the left part for nozzles and in the right part for ring nozzles.
Demgegenüber erläutert Fig. 4 die mittleren Strömungs¬ geschwindigkeiten und Geschwindigkeitsschwankungen von ungestörten Freistrahlen und zwar a) für Düsen b) für Ringdüsen.In contrast, FIG. 4 explains the average flow velocities and speed fluctuations of undisturbed free jets, namely a) for nozzles b) for ring nozzles.
Bei Verwendung der Einbausätze betrug die Schall¬ minderung beispielsweise 20 dB.When using the installation kits, the noise reduction was, for example, 20 dB.
Durch die Gleichrichter- und Wirbelauflösungswirkung des Einbausatzes werden örtlich hohe Druck- und Ge¬ schwindigkeitsfelder eines Gasstrahles in einem an¬ geschlossenen Kanal vermindert (örtlich kleinereDue to the rectifier and vortex dissolving effect of the installation kit, locally high pressure and speed fields of a gas jet in a connected channel are reduced (locally smaller ones
- jRE
- 6 -- jRE - 6 -
Wiτbelgeschwindigkeiten) und damit wird der an ein Ventil (Düse) angeschlossener Kanal-Strömungswider¬ stand kleiner (Druckverlustverminderung) . Bei einem Motorprozeß kann damit ein kleinerer Gegendruck am Auslaßventil erreicht werden. Der theoretische Motor¬ prozeß (p,v-Diagramm) liefert damit einen besseren thermischen Wirkungsgrad und würde somit eine Brenn- stoffeinsparung ermöglichen.Wobble speeds) and thus the duct flow resistance connected to a valve (nozzle) becomes smaller (pressure loss reduction). In an engine process, a smaller back pressure can be achieved at the exhaust valve. The theoretical engine process (p, v diagram) thus provides better thermal efficiency and would thus enable fuel savings.
Durch die kombinierte Maßnahme des Erweiterungsraums in der Expansionszone sowie den Einbauten wird der Effekt der Senkung des Geräuschpegels und der Vermei¬ dung stehender Wellen im Auspuffrohr noch herabgesetzt Durch die Maßnahme nach der Erfindung kann auf einen Schalldämpfer in der Auslaßleitung gegebenfalls ganz verzichtet werden.
The combined measure of the expansion space in the expansion zone and the built-in components further reduce the effect of lowering the noise level and avoiding standing waves in the exhaust pipe. The measure according to the invention makes it possible to dispense entirely with a silencer in the exhaust line.