WO1983002302A1 - Method and device for reducing the noise of combustion engines - Google Patents

Method and device for reducing the noise of combustion engines Download PDF

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WO1983002302A1
WO1983002302A1 PCT/EP1982/000278 EP8200278W WO8302302A1 WO 1983002302 A1 WO1983002302 A1 WO 1983002302A1 EP 8200278 W EP8200278 W EP 8200278W WO 8302302 A1 WO8302302 A1 WO 8302302A1
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Hartmut Rosenberg
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Hartmut Rosenberg
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    • F01L3/06—Valve members or valve-seats with means for guiding or deflecting the medium controlled thereby, e.g. producing a rotary motion of the drawn-in cylinder charge
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N1/00—Silencing apparatus characterised by method of silencing
    • F01N1/08—Silencing apparatus characterised by method of silencing by reducing exhaust energy by throttling or whirling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M35/00—Combustion-air cleaners, air intakes, intake silencers, or induction systems specially adapted for, or arranged on, internal-combustion engines
    • F02M35/12—Intake silencers ; Sound modulation, transmission or amplification
    • F02M35/1205—Flow throttling or guiding
    • F02M35/1227—Flow throttling or guiding by using multiple air intake flow paths, e.g. bypass, honeycomb or pipes opening into an expansion chamber
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L55/00—Devices or appurtenances for use in, or in connection with, pipes or pipe systems
    • F16L55/02—Energy absorbers; Noise absorbers
    • F16L55/033—Noise absorbers
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/16—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/161—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general in systems with fluid flow
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • the 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
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • the internals can be inserted, held in place by a snap ring on the exhaust pipe attachment, or attached to the valve stem.
  • 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.
  • FIG. 1 shows a section through an embodiment according to the invention.
  • Fig. 2 shows a section through designs of details 3 shows a detail according to FIG. 2c;
  • Fig. 4 gives considerations regarding free jets
  • FIGS. 6 and 7 explain the effects on the subject of the application (shift against low-frequency vibrations).
  • 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.
  • Fig. 2a shows in cross section a purely lattice-like design of such internals
  • Fig. 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
  • 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.
  • 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. 4 explains the average flow velocities and speed fluctuations of undisturbed free jets, namely a) for nozzles b) for ring nozzles.
  • the noise reduction was, for example, 20 dB.
  • 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.

Description

VERFAHREN UND EINRICHTUNG ZUR VERMINDERUNG DES SCHALLS BEI BRENN¬ KRAFTMASCHINEN
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.
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.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die tieffrequenten inneren Gasdruckschwankungen (Pegel) verantwortlich für die Intensität der Schallweiter¬ leitung, beispielsweise in einem Auspuffsystem sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung derart anzugeben, daß beispielsweise auf den Schalldämpfer einer Verbrennungs¬ kraftmaschine verzichtet werden kann.
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.
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.
Anders ausgedrückt: es wird dafür Sorge getragen, daß die entstehenden Schal 1- frequenzen zu höheren Frequenzen verschoben werden; die leichter dissipieren.
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.
Durch die Maßnahme nach der Erfindung wird es möglich, die Schallemission eines Abgas- bzw. Gasvolumenstroms aus einem (Auslaß)-Ventil im allgemeinen und insbesondere eines Verbrennungsmotors
- frequenzmäßig zu höheren Frequenzen zu transformieren,
- 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
- den Strömungswiderstand im Austrittskanal in Ventilnähe zu verringern und somit bei einem Verbrennungsmotor zu einer besseren Energieausbeute (Brennstoffeinsparung) beizutragen.
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.
Die unmittelbar hinter dem Auslaßventil angeordneten Einbauten sind insbeson¬ dere bei sich anschließenden gekrümmten Leitungen als Strö ungsgleichrichtεr strömungsgünstig ausgebildet.
Nach besonderen Ausführungsformen können die Einbauten im Querschnitt aus einem waben-, röhren-, trapez- oder siebförmigen Gitter bestehen, oderaus weiteren geschwindigkeits- und druckausgleichenden Strömungsgleichrichtern.
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.
Die Einbauten können eingeschoben, durch einen Sprengring an der Auspuffrohr¬ befestigung gehalten oder am Ventilschaft befestigt sein.
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.
Die Erfindung soll nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläu¬ tert werden. Diese zeigen in
Fig. 1 einen Schnitt durch eine Ausführungsform nach der Erfindung;
Fig. 2 einen Schnitt durch Gestaltungen von Einzelheiten Fig. 3 eine Einzelheit gemäß Fig. 2c;
Fig. 4 gibt Betrachtungen bezüglich Freistrahlen;
Fig. 5 Betrachtungen von Freistrahlen in Rohrleitungen wieder; und die Figuren 6 und 7 erläutern die Wirkungen beim An¬ meldungsgegenstand (Verschiebung gegen niederfrequente Schwingungen) . •
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.
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.
Fig. 2a zeigt im Querschnitt eine rein gitterförmige Ausbildung solcher Einbauten;
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 Freistrahl
- 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.
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:
Sct. _= d • f ' ,bzw. f = St j•—c •
(Strouhalzahl = Durchmesser mal Frequenz dividiert durch Strömungsgeschwindigkeit) .
Somit bedingt ein kleinerer Durchmesser d höhere Fre¬ quenzen bei konstanter Strouhalzahl, wobei
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.
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.
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.
Demgegenüber erläutert Fig. 4 die mittleren Strömungs¬ geschwindigkeiten und Geschwindigkeitsschwankungen von ungestörten Freistrahlen und zwar a) für Düsen b) für Ringdüsen.
Bei Verwendung der Einbausätze betrug die Schall¬ minderung beispielsweise 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 kleinere
- 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.
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.

Claims

- ?PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Vermindern bzw. Transformieren der Schall¬ emission, dadurch gekennzeichnet, daß der Freistrahl, der bei einer Gasexpansion aus einer Düse, Mündung oder Ringdüse ent¬ steht, innerhalb der Kernzone zerstört bzw. in mehrere Strahl¬ anteile zerlegt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Scherspannungen in der Strahlzone zerstört und damit insbe¬ sondere die Schall-Quadrupolquellen verringert werden.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallfrequenzen durch Einbauten in der Strahlzone zu höheren Frequenzen verschoben werden.
4. Vorrichtung zur Verminderung des Schalls, insbesondere bei Verbrennungsmotoren, gekennzeichnet durch Eintauten (18) in der Kernzone (Fig. 5) des Strömungsfeldes unmittelbar hin¬ ter dem Auslaß, insbesondere einer Ring- oder Runddüse bzw. eines Ventils.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbauten (18), insbesondere für den austretenden Ringstrahl, als Strömungsgleichrichter zur Verminderung der Reibungs- und Strömungsverluste (Wirbel) ausgebildet sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbauten (18) im Querschnitt aus einer waben-, röhren-, trapez-, siebförmigen oder strömungs- und druckausgleichenden Gitteranordnung bestehen.
7 . ' Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (1) der Einbauten 1 = (1 - 4)-d (d = charakteristischer Durchmesser der Düse, Ringdüse oder Mündung) und die Teilung (t) der Waben oder Röhreneinbauten t = (1/10 - 1/3) -d in etwa betragen.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche, 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbauten (18) eingeschoben und ein- und ausbaubar (auswechselbar) und durch eine Haltevorrichtung, insbesondere einen Sprengring gehalten sind, wobei das Material gegebenenfalls temperaturbeständig ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbauten (18) in den Motorblock eingeschoben, über Flanschbefestigung zwischen Motorblock und Auspuffrohr (16) befestigt oder über dem Ventilschaft zusammengefügt sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum hinter der Strahlaustrittsöffnung gegenüber der Abgasaustrittsleitung erweitert ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der innerhalb der Gasexpansionszone an¬ schließende Austrittskrümmer (20) erweitert ist.
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DE19813151873 DE3151873A1 (de) 1981-12-30 1981-12-30 Verfahren zum vermindern bzw. transformieren der schallemission sowie vorrichtung zur verminderung des schalls, insbesondere bei verbrennungsmotoren

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