DE10005645A1 - Schalldämpfer für einen Verbrennungsmotor - Google Patents

Abstract

Das Verhältnis des Abstands a, gemessen von einem Gasauslassende p eines Auslassrohrs 42 zu einer Innenseite 46 einer hinteren Trennwand 40, zu einem Innendurchmesser DIAMETER A des Auslassrohrs 42 wird in einer Beziehung von 0,6 (a/ DIAMETER A) < 1,2 eingestellt, während das Verhältnis von Abstand b, gemessen von einem Gaseinlassende q eines Auspuffrohrs 44 zu einer Innenseite 48 einer vorderen Trennwand 38, zu einem Innendurchmesser DIAMETER B des Auspuffrohrs 44 in einer Beziehung von 0,4 (b/ DIAMETER B) < 1,2 eingestellt wird, um einen Schalldämpfer mit einer optimalen Kombination von Motorleistungscharakteristik und Kompaktheit bereitzustellen, während eine Geräuschdämpfungswirkung beibehalten wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schalldämpfer für einen Verbrennungsmotor, welcher für die Anwendung in einem Motorrad oder einem Kraftfahrzeug mit vier Rädern oder dergleichen geeignet ist.

Bei einem in einem Motorrad oder dergleichen eingesetzten Verbrennungsmotor tritt ein Explosionsgeräusch auf, wenn ein Auslassgeräusch unverändert in die Atmosphäre abgegeben wird. Um die Erzeugung eines derartigen Explosionsgeräusches zu unterdrücken, ist ein Schalldämpfer an dem Fahrzeug derart angebracht, dass das Abgas durch diesen hindurchtreten und dieser Schallwellen absorbieren kann, um das Auslassgeräusch zu senken.

Fig. 6 stellt schematisch eine Längsschnittanordnung eines Schalldämpfers 1 vom Typ mit einer Mehrstufen-Expansionskammer dar. Der Schalldämpfer 1 besitzt einen im Allgemeinen zylindrischen Schalldämpferkörper 2. Der Schalldämpferkörper 2 umfasst eine Umfangswand 3, eine vordere und eine hintere Wand (eine vordere und hintere Trennwand) 4a, 4d, welche die Umfangswand 3 abschließen, sowie Trennwände 4b und 4c als Zwischenwände. Mit diesen Wänden sind eine erste, zweite und dritte Expansionskammer (erste bis dritte Kammern) 5a, 5b, 5c gebildet.

Ein Auslassrohr 6 zum Einleiten eines Gases (auch als Abgas bezeichnet) G in den Schalldämpferkörper 2 ist durch die vordere Trennwand 4a des Schalldämpferkörpers 2 hindurch eingebaut, während ein Auspuffrohr 9 zum Ablassen des Gases G aus dem Innenraum des Schalldämpferkörpers 2 durch die hintere Trennwand 4d des Schalldämpferkörpers hindurch eingebaut ist. Weiterhin sind durch die Zwischentrennwände 4b und 4c innere Rohre 7 und 8 eingebaut. In Fig. 6 zeigen Pfeile die Strömungsrichtungen des Gases G an.

In dem in Fig. 6 gezeigten Schalldämpfer 1 sind die erste bis dritte Expansionskammer 5a bis 5c in drei Stufen aneinander angrenzend, jedoch kann der Schalldämpfer 1 modellhaft durch einen Einzelkammer- (Einzelexpansionskammer-)-Schalldämpfer 12 (s. Fig. 7) dargestellt werden.

Der Schalldämpfer 12 weist eine im Allgemeinen zylindrische Expansionskammer 14 als einen Schalldämpferkörper auf. Die Expansionskammer 14 ist gebildet aus einer Umfangswand 16 mit einer Gesamtlänge L sowie aus einer vorderen und einer hinteren Trennwand 18, 20, welche die Umfangswand 16 abschließen und welche einen Durchmesser ∅C aufweisen.

Ein Auslassrohr 22 mit einem Durchmesser von ∅A, um das Gas G in die Expansionskammer 14 einzuleiten, ist durch die vordere Trennwand 18 der Expansionskammer 14 hindurch eingebaut, während ein Auspuffrohr 24 mit einem Durchmesser von ∅B, um das Gas G aus dem Innenraum Expansionskammer 14 abzulassen, durch die hintere Trennwand 20 der Expansionskammer hindurch eingebaut ist. In Fig. 7 zeigen Pfeile ebenso eine Strömungsrichtung des Gases G an.

Im Folgenden wird ein Vergleich zwischen der ersten Expansionskammer 5a in dem in Fig. 6 dargestellten Schalldämpfer 1 und dem in Fig. 7 als Einzelkammermodell dargestellten Schalldämpfer 12 durchgeführt werden. Es ist zu sehen, dass die vordere Trennwand 4a in dem Schalldämpfer 1 und die vordere Trennwand 18 in dem Schalldämpfer 12 einander entsprechen, dass ferner die Trennwand 4b im Schalldämpfer 1 und die hintere Trennwand 20 in dem Schalldämpfer 12 einander entsprechen, dass weiterhin das Auslassrohr 6 im Schalldämpfer 1 und das Auslassrohr 22 im Schalldämpfer 12 einander entsprechen, sowie dass das innere Rohr 7 im Schalldämpfer 1 und das Auspuffrohr 24 im Schalldämpfer 12 einander entsprechen. Was die verbleibende zweite und dritte Expansionskammer 5b, 5c im Schalldämpfer 1 anbelangt, können diese weiterhin gleichermaßen durch den in Fig. 7 dargestellten Schalldämpfer 12 als Einzelkammermodell dargestellt werden.

Bei dem Schalldämpfer 12 der Fig. 7 werden eine Geräuschdämpfungscharakteristik, eine Motorleistungscharakteristik (Auslass-Durchblascharakteristik) sowie Kompaktheit als wichtige Punkte erachtet. Es ist bekannt, dass die Geräuschdämpfungscharakteristik, um den Strömungswiderstand des Abgases G zu erhöhen, verbessert wird durch Vergrößern des Durchmessers ∅A des Auslassrohrs 22 sowie durch Verkürzen des Abstandes a, gemessen von einem Gasauslassende des Rohrs 22 bis zu einer Innenseite 26 der hinteren Trennwand 20, sowie durch Verkürzen des Abstandes b, gemessen von einer Gaseinlassseite des Auspuffrohrs 24 zu einer Innenseite 28 der vorderen Trennwand 18.

In dem Fall, in welchem der Strömungswiderstand des Abgases G durch Verkürzen des Abstandes a, gemessen von dem Gasauslassende des Auslassrohrs 22 zu der Innenseite 26 der hinteren Trennwand 20, oder des Abstandes b, gemessen von dem Gaseinlassende des Auspuffrohrs 24 zur Innenseite 28 der vorderen Trennwand 18, erhöht wird, tritt das Problem auf, dass die Motorleistung niedriger wird. In anderen Worten besteht eine reziproke Beziehung für die Geräuschdämpfungscharakteristik, eine sogenannte Einbuße-Beziehung, derart, dass die Auslass- Durchblascharakteristik des Motors verschlechtert wird.

Angesichts des obigen Gesichtspunktes sowie um eine gewünschte Geräuschdämpfungscharakteristik und eine gewünschte Motorleistungscharakteristik miteinander verträglich zu machen, wurde vom Anmelder der vorliegenden Erfindung ein Schalldämpfer auf Erfahrung beruhend derart entworfen, dass das Verhältnis des Abstandes a zu dem Durchmesser ∅A des Auslassrohrs 22 sowie das Verhältnis des Abstandes b zu dem Durchmesser ∅B des Auspuffrohrs 24 (a/∅A) ≧ 1,2 bzw. (b/∅B)≧ 1,2 betragen.

Die Länge des Auslassrohrs, um die Expansionskammer (die Expansionskammer 5a in Fig. 6), welche am stromaufwärtigen Ende angeordnet ist, mit einem Auslassanschluss des Verbrennungsmotors (nicht dargestellt) zu verbinden, steht in Beziehung mit einer Drehmomentcharakteristik, bezogen auf die Drehgeschwindigkeit des Motors, während der Durchmesser des Auspuffrohrs, welches von der Expansionskammer (dis Expansionskammer 5c in Fig. 6), welche am stromabwärtigen Ende angeordnet ist, zur Atmosphäre hin offen ist, mit der Verlagerung des Verbrennungsmotors und der Größe eines normalen Drehgeschwindigkeitsbereichs in Beziehung steht.

Um eine Optimierung zu erreichen, während zwischen den drei Charakteristika der Geräuschdämpfungscharakteristik, der Motorleistungscharakteristik und der Kompaktheit ausgeglichen wird, war es deshalb bis jetzt erforderlich, die Abstände a und b in jeder Expansionskammer anzupassen, die Gesamtlänge L anzupassen sowie den Durchmesser eines jeden inneren Rohrs zur Verbindung zwischen angrenzenden Expansionskammern anzupassen.

Die vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung der oben genannten Probleme gemacht. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Schalldämpfer für einen Verbrennungsmotor bereitzustellen, welcher eine weitere Optimierung sowohl der Motorleistungscharakteristik als auch der Kompaktheit gestattet, während er eine gewünschte Geräuschdämpfungscharakteristik sicherstellt.

Gemäß der Erfindung ist ein Schalldämpfer für einen Verbrennungsmotor vorgesehen, umfassend:
eine im Allgemeinen hohle, zylindrische Expansionskammer, welche gebildet ist aus einer Umfangswand sowie einer vorderen und hinteren Trennwand, welche in Bezug auf die Umfangswand in einer vorderen und einer hinteren Stellung angeordnet sind;
ein Auslassrohr, welches durch die vordere Trennwand hindurch angeordnet ist, um ein Gas in die Expansionskammer einzuleiten; und
ein Auspuffrohr, welches durch die hintere Trennwand hindurch angeordnet ist, um das Gas von dem Innenraum der Expansionskammer abzulassen;
wobei dann, wenn ein Innendurchmesser des Auslassrohrs als ∅A angenommen wird und der Abstand von einem Gasauslassende des Auslassrohrs zu einer Innenseite der hinteren Trennwand als a angenommen wird, sich der Innendurchmesser ∅A und der Abstand a in einer Beziehung von 0,6 ≦ (a/∅A) < 1,2 befinden.

Gemäß der gerade oben beschriebenen Erfindung kann durch Einstellen der Beziehung zwischen dem Auslassrohr-Innendurchmesser ∅A und dem Abstand a, gemessen von dem Auslassrohr-Gasauslassende zu der Innenseite der hinteren Trennwand, innerhalb von 0,6 ≦ (a/∅A) < 1,2 ein Schalldämpfer erhalten werden, welcher eine optimale Kombination von Motorleistungscharakteristik und Kompaktheit aufweist, während er eine gewünschte Geräuschdämpfungscharakteristik sicherstellt.

Weiterhin kann durch Einstellen der Beziehung zwischen dem Auspuffrohrinnendurchmesser ∅B und dem Abstand b, gemessen von dem Auspuffrohrgaseinlassende zu der Innenseite der vorderen Trennwand, innerhalb von 0,25 ≦ (b/∅B) < 1,2 ein Schalldämpfer erhalten werden, welcher eine ausgezeichnete Kombination von Motorleistungscharakteristik und Kompaktheit aufweist, während er eine gewünschte Schalldämpfungscharakteristik sicherstellt.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann die Expansionskammer und somit der Schalldämpferkörper durch Ausbilden des Gaseinlassendes des Auspuffrohrs in der Gestalt einer Glockenöffnung bzw. Trompetenöffnung bzw. Trichteröffnung kompakt ausgeführt sein, während er die gewünschte Geräuschdämpfungsleistung und Motorauslasscharakteristik sicherstellt.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann durch Einstellen der Beziehung zwischen dem Innendurchmesser ∅B und dem Abstand b innerhalb von 0,4 ≦ (b/∅B) < 1,2 ein Schalldämpfer erhalten werden, welcher eine optimale Kombination von Motorleistungscharakteristik und Kompaktheit aufweist, während er eine gewünschte Geräuschdämpfungswirkung sicherstellt.

Weiterhin ist es in dem Falle, dass die Abmessungsbeziehung zwischen dem Auslassrohr und dem Auspuffrohr verändert wird, durch Beibehalten der Beziehung des fnnendurchmessers ∅B und des Abstandes b zu dem Innendurchmesser ∅A und dem Abstand a von (b/∅B) ≦ (a/∅A) möglich, eine weitere Verbesserung der Kompaktheit zu erreichen, während eine gewünschte Geräuschdämpfungswirkung sowie Motorleistungscharakteristik sichergestellt werden.

Ein in der vorliegenden Erfindung angenommenes Analysemodell wird im Folgenden mit Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert werden. Es stellt dar:

Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht eines Schalldämpfers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ein Diagramm einer Abgasdurchblascharakteristik im Zusammenhang mit dem Auslassrohr;

Fig. 3 ein Diagramm einer Abgasdurchblascharakteristik im Zusammenhang mit dem Auspuffrohr;

Fig. 4 ein schematisches Querschnittsdiagramm eines Schalldämpfers mit einem Auspuffrohr in Form einer Glocken- bzw. Trompetenöffnung bzw. eines Schalltrichters gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 ein Diagramm einer Abgasdurchblascharakteristik im Zusammenhang mit dem Auspuffrohr mit der Gestalt einer Glocken- bzw. Trompetenöffnung bzw. eines Schalltrichters betreffendes;

Fig. 6 ein schematisches Querschnittsdiagramm, welches eine schematische Konfiguration eines Schalldämpfers vom Mehrstufen- Expansionskammer-Typ in einer Längsrichtung zeigt; sowie

Fig. 7 ein schematisches Querschnittsdiagramm zum Erläutern eines herkömmlichen Schalldämpfers.

Fig. 1 zeigt eine schematische Querschnittskonfiguration eines Schalldämpfers 32, welcher die vorliegende Erfindung verkörpert. Der Schalldämpfer 32 ist mit einer zylindrischen Expansionskammer (ebenso lediglich als Kammer bezeichnet) 34 als Schalldämpferkörper mit einer inneren Gesamtlänge (ebenso aus Gründen der Einfachheit als äußere Größe bezeichnet) L und einem Innendurchmesser ∅C versehen. Die Expansionskammer 34 ist aus einer Umfangswand 36 sowie einer vorderen und einer hinteren Trennwand 38, 40 gebildet, welche die Umfangswand 36 abschließen.

Ein Auslassrohr 42 zum Einleiten eines Gases (ebenso als Abgas bezeichnet) G in die Expansionskammer 34 hinein ist durch die vordere Trennwand 38 der Expansionskammer 34 hindurch eingebaut, wobei das Auslassrohr 42 einen Durchmesser von ∅A und eine Länge von 11 aufweist, während ein Auspuffrohr 44 zum Ablassen des Gases G von dem Innenraum der Expansionskammer 34 durch die hintere Trennwand 40 der Expansionskammer 34 hindurch eingebaut ist, wobei das Auspuffrohr 44 einen Durchmesser von ∅B und eine Länge von l2 aufweist. In Fig. 1 zeigen Pfeile eine Strömungsrichtung des Gases G an.

Bei dem Schalldämpfer 32 mit einem derartigen Aufbau werden, wie zuvor bemerkt, eine Geräuschdämfungscharakteristik, eine Motorleistungscharakteristik (Abgasdurchblascharakteristik) sowie Kompaktheit als wichtige Punkte erachtet. Was die Geräuschdämpfungscharakteristik anbelangt, so wird selbige Charakteristik umso mehr verbessert, je kleiner der Durchmesser ∅A des Auslassrohrs 42 ist.

Es ist weiterhin bekannt, dass die Geräuschdämpfungscharakteristik verbessert wird durch Verkürzen des Abstands a (ebenso als Abblasabschnittsabstand bezeichnet), gemessen von einem Gasauslassende (Rohrende) p des Auslassrohrs 42 zu einer Innenseite 46 der hinteren Trennwand 40, oder des Abstands (ebenso als Saugabschnittsabstand bezeichnet) b, gemessen von einem Gaseinlassende (Rohrende) q des Auspuffrohrs 44 zu einer Innenseite 48 der vorderen Trennwand 38, wodurch der Strömungswiderstand des Abgases G erhöht wird. Eine Erhöhung des Strömungswiderstands verursacht jedoch eine Verschlechterung der Abgasdurchblascharakteristik.

Im Folgenden werden simulationsbasierte Berechnungen beschrieben werden, um einen optimalen Bereich des Verhältnisses von Durchmesser a zu Durchmesser ∅A (a/∅A) zu bestimmen sowie um einen optimalen Bereich des Verhältnisses von Durchmesser b zu ∅B (b/∅B) zu bestimmen, welche bisher erfahrungsbasiert bestimmt worden sind. Die simulationsbasierten Berechnungen wurden gemäß einem PCC-Verfahren (Partial Cells in cartesian coordinate = Partialzellen in kartesischen Koordinaten) durchgeführt {12th Internal Combustion Engine Symposium Record (1995, Seiten 91-96), Yasumoto Takahashi und Hitoshi Fujii} durchgeführt, wobei als morphologische Daten ein von einem dreidimensionalen CAD-System, wie z. B. CATIA, vorbereitetes räumliches Modell verwendet wurde. Die Simulationsergebnisse, welche im Folgenden beschrieben werden, sind ebenso auf jede der Expansionskammern 5a bis 5c in dem in Fig. 6 gezeigten Mehrstufen-Schalldämpfer 1 anwendbar.

Simulation 1 Abgasdurchblascharakteristik im Zusammenhang mit dem Auslassrohr 42

Zunächst werden in Bezug auf das in Fig. 1 gezeigte Modell des Einzelkammer-Schalldämpfers (Einheitsschalldämpfer) 32 die Gesamtlänge L und die Abmessungen des Auspuffrohrs 44 festgelegt, während das Verhältnis von Abstand a, gemessen von dem Gasauslassende p des Auslassrohrs 42 zu der Innenseite (im Folgenden ebenso als Trennwand bezeichnet) 46, zum Innendurchmesser ∅A des Auslassrohrs, d. h. (a/∅A), als eine Variable verwendet wird. In diesem Zustand wurde eine Abgasdurchblascharakteristik berechnet.

Gleichermaßen wurden Abgasdurchblascharakteristika in verschiedenen Kombinationen des Durchmessers ∅A des Auslassrohrs und des Durchmessers ∅B des Abgasrohrs 44 berechnet.

Fig. 2 zeigt die Ergebnisse der Berechnung, welche in Bezug auf die Beziehung zwischen dem Wert des Verhältnisses von Abstand a, gemessen von dem Gasauslassende p zu der Trennwand 46, zu dem Durchmesser ∅A des Auslassrohrs 42, d. h. (a/∅A) gemacht wurde, sowie die Abgasdurchblascharakteristik. In der gleichen Figur wurden die Werte einer Abgasdurchblascharakteristik 50 umfassend die mit Kreisen versehenen Charakteristika 1 bis 5 erhalten, indem die Gasströmungsraten pro Zeiteinheit dimensionslos gemacht wurden. Kombinationen des Durchmessers ∅A des Auslassrohrs 42 und des Durchmessers ∅B des Auspuffrohrs, welche in Fig. 2 tabelliert sind, lauten wie folgt:
Charakteristik 1: ∅A = 19,8, ∅B = 26,2;
Charakteristik 2: ∅A = 26,2, ∅B = 19,8;
Charakteristik 3: ∅A = 32,6, ∅B = 26,2;
Charakteristik 4: ∅A = ∅B = 26,2;
Charakteristik 5: ∅A = 26,2, ∅B = 32,6.

In dem in Fig. 2 gezeigten Graphen der Abgasdurchblascharakteristik 50 repräsentiert die rechte Seite (größeres a/∅A-Verhältnis) des Graphen einen Zustand, in welchem der Abstand a, gemessen vom Gasauslassende p zu der Trennwand 46, am größten ist, während die linke Seite in der gleichen Figur einen Zustand repräsentiert, in welchem sich das Gasauslassende p zu der Seite der Trennwand 46 hin umso mehr erstreckt, um den Abstand a zu verringern, je näher man der linken Seite in Fig. 2 (kleineres a/∅A) kommt.

Fig. 2 zeigt, dass die Abgasdurchblascharakteristik 50 im Zusammenhang mit dem Auslassrohr 42 bei einem Verhältnis-Wert von (a/∅A) ≦ 0,6 abrupt verschlechtert wird und bei einem Verhältnis-Wert von (a/∅A) = 0,6 oder darüber nahezu stabil wird und nur geringen Veränderungen unterzogen wird.

Was das Ausmaß der Verschlechterung in der Abgasdurchblascharakteristik bei einem Wert des Verhältnisses von (a/∅A) ≦ 0,6 anbelangt, so kann aus einem Vergleich der Charakteristika 1, 3 und 4 gelesen werden, dass dann, wenn der Durchmesser GB des Auspuffrohrs 44 konstant ist (∅B = 26,2 mm), die Verschlechterung umso weniger ausgeprägt ist (∅A = 19,8; 32,6 und 26,2 in Charakteristika 1, 3 bzw. 4), je größer der Durchmesser ∅A des Auslassrohrs 42 ist, und dass der Zustand einer Verschlechterung der Charakteristik umso später, d. h. zu kleineren Werten von (a/∅A) hin verschoben, eintritt, je größer der Durchmesser ∅A ist.

Weiterhin ist aus einem Vergleich der Charakteristika 2, 4 und 5 zu sehen, dass der Beginn der Verschlechterung der Charakteristik unabhängig von dem Durchmesser ∅B des Auspuffrohrs 44 konstant ist (∅B = 19,8, 26,2 und 32,6 in Charakteristika 2, 4 bzw. 5), dass jedoch dann, wenn der Durchmesser ∅B größer wird, eine wellenartige Variation bei einem Verhältnis-Wert von (a/∅A) ≦ 0,6 auftritt und die Stabilität verschlechtert wird.

Was die Geräuschdämpfungscharakteristik anbelangt, so wird die Geräuschdämpfungswirkung umso besser, je kleiner der Wert des Verhältnisses (a/∅A) wird. Dazu ist keine Berechnung nötig. Somit zeigen die obigen Berechnungsergebnisse, dass es möglich ist, eine befriedigende Geräuschdämpfungswirkung, Kompaktheit und eine weitere Optimierung zu erhalten, selbst wenn der Wert des Verhältnisses (a/∅A) noch kleiner als der herkömmliche, auf Erfahrungen basierende Wert des Verhältnisses (a/∅A) von 1,2 eingestellt wird, während die Verschlechterung der Leistungscharakteristik verhindert wird.

Aus den obigen Berechnungen und Studien ist zu sehen, dass ein optimaler Wert des Verhältnisses von Abstand a, gemessen von dem Gasauslassende p zu der Trennwand 46, zu dem Durchmesser ∅A des Auslassrohrs 42 aus dem folgenden Ausdruck (1) erhalten werden kann:

(a/∅A) = 0,6 (1)

In dem Fall, in dem der Schalldämpfer mit geringeren Kosten bereitgestellt werden soll, während ein Massenherstellungsfehler in Betracht gezogen wird, kann ein geeigneter Wert in dem Bereich des folgenden Ausdrucks (2) bestimmt werden:

0,6 ≦ (a/∅A) ≦ 1,2 (2)

Wo der Schalldämpfer in einem Prozess mit relativ hoher Genauigkeit und geringem Massenherstellungsfehler hergestellt werden soll und wenn die Geräuschdämpfungswirkung vergrößert werden soll, ohne die äußere Größe des Schalldämpfers zu verändern, oder wenn die Größe des Schalldämpfers weiter verringert werden soll, kann der Schalldämpfer in dem Bereich des folgenden Ausdrucks (3) entworfen werden:

0,6 ≦ (a/∅A) ≦ 0,8 (3)

Simulation 2 Abgasdurchblascharakteristik im Zusammenhang mit dem Auspuffrohr 44

Zunächst wird in Bezug auf das in Fig. 1 gezeigte Modell des Einzelkammer- Schalldämpfers (Einheitsschalldämpfer) 32 die Gesamtlänge L und die Abmessungen des Auslassrohrs 42 festgelegt, während der Wert des Verhältnisses des Abstandes b, gemessen vom Gaseinlassende q des Auspuffrohrs 44 zu der Innenseite (Trennwand) 48, zu dem Durchmesser ∅B, d. h. (b/∅B), als eine Variable verwendet wird. Es wurde eine Abgasdurchblascharakteristik (Saugcharakteristik) berechnet.

Gleichermaßen wurden die Abgasdurchblascharakteristika in verschiedenen Kombinationen des Durchmessers ∅A des Auslassrohrs 42 und des Durchmessers ∅B des Auspuffrohrs 44 berechnet.

Fig. 3 zeigt die Ergebnisse einer Berechnung, die in Bezug auf die Beziehung zwischen dem Wert des Verhältnisses des Abstands b, gemessen vom Gaseinlassende q zur Innenseite (ebenso als Trennwand bezeichnet) 48, zu dem Durchmesser ∅B des Auspuffrohrs 44, d. h. (b/∅B), durchgeführt wurden, sowie eine Abgasdurchblascharakteristik 52. Die Werte der Abgasdurchblascharakteristik 52 (mit Kreisen versehene 6 bis 10) wurden erhalten, indem Gasströmungsraten pro Zeiteinheit dimensionslos gemacht wurden. Kombinationen des Durchmessers ∅A des Auslassrohrs 42 und des Durchmessers ∅B des Auspuffrohrs 44, welche in Fig. 3 tabelliert sind, sind wie folgt:
Charakteristik 6: ∅A = 19,8, ∅B = 26,2;
Charakteristik 7: ∅A = 26,2, ∅B = 19,8;
Charakteristik 8: ∅A = 32,6, ∅B = 26,2;
Charakteristik 9: ∅A = ∅B = 26,2;
Charakteristik 10: ∅A = 26,2, ∅B = 32,6.

In dem in Fig. 3 gezeigten Graphen der Abgasdurchblascharakteristik 52 repräsentiert die rechte Seite (größeres Verhältnis von b/∅B) des Graphen einen Zustand, in welchem der Abstand b, gemessen vom Gaseinlassende q zu der Trennwand 48, am größten ist, während die linke Seite in derselben Figur einen Zustand repräsentiert, in welchem sich das Gaseinlassende q umso mehr zur Seite der Trennwand 48 hin erstreckt, um den Abstand b zu verkürzen, je näher man der linken Seite in Fig. 3 (kleineres b/∅B) kommt.

Aus Fig. 3 ist zu sehen, dass die Abgasdurchblascharakteristik 52 im Zusammenhang mit dem Auspuffrohr 44 bei einem Wert des Verhältnisses von (b/∅B)≦ 0,4 abrupt verschlechtert wird und bei einem Wert des Verhältnisses von (b/∅B)≧ 0,6 annähernd stabil wird und geringe Veränderungen aufweist.

Darüber hinaus ist aus einem Vergleich der Charakteristika 6, 8 und 9 zu sehen, dass dann, wenn der Durchmesser ∅B des Auspuffrohrs 44 konstant ist, eine Veränderung des Verhältnis-Wertes (b/∅B) umso geringeren Einfluss hat, je kleiner der Durchmesser ∅A des Auslassrohrs 42 ist, und der Einfluss umso größer wird, je größer der Durchmesser ∅A ist.

Ferner ist aus einem Vergleich der Charakteristika 7, 9 und 10 zu sehen, dass dann, wenn der Durchmesser ∅A des Auslassrohrs 42 konstant ist, bei einem Wert des Verhältnisses von (b/∅B) = 0,6 oder darüber eine wellenartige Variation auftritt und die Stabilität verschlechtert wird, wenn der Durchmesser ∅B des Auspuffrohrs 44 kleiner wird.

Hinsichtlich der Geräuschdämpfungscharaktcristik gilt in diesem Fall ebenso, dass die Geräuschdämpfungswirkung umso besser wird, je kleiner der Wert des Verhältnisses (b/∅B) wird. Dazu bedarf es keiner Berechnung. Somit zeigen die obigen Berechnungsergebnisse an, dass es möglich ist, selbst wenn der Wert des Verhältnisses (b/∅B) noch niedriger als der herkömmliche, auf Erfahrung basierende Wert des Verhältnisses (b/∅B) von 1,2 eingestellt wird, eine befriedigende Geräuschdämpfungswirkung, Kompaktheit sowie eine weitere Optimierung zu erhalten, während eine Verschlechterung der Leistungscharakteristik vermieden wird.

Aus den obigen Berechnungen und Studien ist zu sehen, dass ein optimaler Wert des Verhältnisses von Abstand b, gemessen vom Gaseinlassende q zur Trennwand 48, zu dem Durchmesser ∅B des Auspuffrohrs 44 aus dem folgenden Ausdruck (4) erhalten werden kann:

(b/∅B) = 0,6 (4)

Falls der Schalldämpfer mit geringeren Kosten bereitgestellt werden soll, während ein Massenherstellungsfehler in Betracht gezogen wird, kann ein geeigneter Wert in dem Bereich des folgenden Ausdrucks (5) bestimmt werden:

0,4 ≦ (b/∅B)≦ 1,2 (5)

Falls der Schalldämpfer in einem Prozess mit relativ hoher Genauigkeit und kleinem Massenherstellungsfehler hergestellt werden soll und falls die Geräuschdämpfungswirkung verbessert werden soll, ohne die äußere Größe des Schalldämpfers zu verändern bzw. wenn die Größe des Schalldämpfers weiter verringert werden soll, kann der Schalldämpfer in dem Bereich des folgenden Ausdrucks (6) konstruiert werden:

0,4 ≦ (b/∅B)≦ 0,8 (6)

Falls der Schalldämpfer 32 unter den Bedingungen ∅A ≠ ∅B sowie a ≠ b nach Maßgabe der obigen Ausdrücke (4) und (1) konstruiert wird, kann der Schalldämpfer derart konstruiert werden, dass er dem folgenden Ausdruck (7) genügt:

0,4≦ (b/∅B)≦(a/∅A)≦ 1,2 (7)

vorausgesetzt, es gilt 0,6 ≦ (a/∅A).

Simulation 3 Abgasdurchblascharakteristik im Zusammenhang mit dem Auspuffrohr 44B, welches die Gestalt einer Glockenöffnung bzw. Trompetenöffnung bzw. Schalltrichteröffnung aufweist (siehe Fig. 4)

Im Zusammenhang mit den Berechnungsergebnissen, die in den obigen Simulationen 1 und 2 erhalten wurden, hat der Anmelder der vorliegenden Erfindung die Tatsache bemerkt, dass eine wellenartige Erscheinung in einem stabilen Bereich der Charakteristik auftritt, wenn der Durchmesser ∅B des Auspuffrohrs 44 verändert wird. Er hat vermutet, dass dies so ist, da die Gasströmung nicht sanft am Gaseinlassende q des Auspuffrohrs 44 eingesaugt wird. Die Gasströmung kann durch Ausbilden des Gaseinlassendes q des Auspuffrohrs 44 in Gestalt einer Glockenöffnung bzw. Trompetenöffnung bzw. Schalltrichteröffnung sanft gemacht werden. Im Folgenden wird aus Gründen der Einfachheit, jedoch ohne Beschränkung darauf, zur Bezeichnung der Gestalt des Gaseinlassendes des Auspuffrohrs 44B lediglich der Ausdruck "Glockenöffnung" weiter verwendet. Die Ausbildung einer Glockenöffnungsgestalt führt zu einer Zunahme des Öffnungsdurchmessers des Gaseinlassendes q, und somit wird der Bereich einer zylindrischen Fläche größer, welche imaginär sowohl durch den Rohrdurchmesser ∅B sowie die Trennwand 48 beschrieben wird, wodurch die Abgasdurchblascharakteristik verbessert werden soll, während der Abstand b der gleiche bleibt.

Fig. 4 ist eine schematische Darstellung eines Schalldämpfers 32B mit einem Auspuffrohr 44B, welches durch Hinzufügen einer Glockenöffnungsgestalt 56 mit dem Radius r2 zu dem Gaseinlassende q des oben beschriebenen Auspuffrohrs 44 erhalten wurde.

Es wurde eine Abgasdurchblascharakteristik (Saugcharakteristik) unter Verwendung eines Verhältnis-Wertes (b/∅B) als eine Variable unter der Bedingung berechnet, dass der Durchmesser ∅A des Auslassrohrs 44 und der Durchmesser ∅B des Auspuffrohrs 44B gleich sind (∅A = ∅B) und dass der Abstand b vom Gaseinlassende (Glockenöffnungseinlassende) q des Auspuffrohrs 44B variabel ist.

Zwei Werte wurden für einen Fall berechnet, in dem der Radius r2 der Glockenöffnungsgestalt 56 auf etwa ein Viertel des Durchmessers ∅B des Auspuffrohrs 44B eingestellt wurde, und für einen Fall, in dem der Radius r2 auf etwa die Hälfte des Durchmessers ∅B eingestellt wurde.

Fig. 5 zeigt die Ergebnisse einer Berechnung, die bezüglich der Beziehung zwischen dem Verhältnis von Abstand b, gemessen von dem Gaseinlassende q zu der Trennwand 48, zu dem Durchmesser ∅B des Auspuffrohrs 44B mit der Glockenöffnungsgestalt durchgeführt wurde, d. h. (b/∅B), sowie eine Abgasdurchblascharakteristik 54. Die Werte der Abgasdurchblascharakteristik (mit Kreisen versehene Charakteristika 11 und 12) wurden erhalten, indem die Gasströmungsraten pro Zeiteinheit dimensionslos gemacht wurden. Kombinationen des Durchmessers ∅A des Auslassrohrs 42, des Durchmessers 0B des Auspuffrohrs 44B und des Radius r2 der Glockenöffnungsgestalt 56, welche in Fig. 5 tabelliert sind, lauten wie folgt:
Charakteristik 11: ∅A = ∅B = 26,2, r2 = 12 mm;
Charakteristik 12: ∅A = ∅B = 26,2, r2 = 6 mm.

Es ist aus den in Fig. 5 gezeigten Charakteristika 11 und 12 im Vergleich mit den in Fig. 3 gezeigten Charakteristika offensichtlich, dass nicht nur alle in den Charakteristika beobachteten wellenartigen Erscheinungen ausgelöscht wurden, sondern es stellte sich weiterhin heraus, dass keine Verschlechterung der Charakteristik bis hinab zu nahe dem Wert von 0,25 auftritt, welches ein bei weitem geringerer Wert ist als der herkömmliche, auf Erfahrung basierende Wert des Verhältnisses (b/∅B) von 1,2.

Es stellte sich weiterhin heraus, dass ein sehr großer Wert des Radius r2 der Glockenöffnungsgestalt 56 nicht immer günstig ist, sondern dass ein geeigneter Radiuswert etwa ein Viertel oder dgl. des Durchmessers ∅B des Auspuffrohrs 44B ist, {r2 = ∅B × (1/4)}.

Aus den obigen Berechnungen und Studien ist zu sehen, dass ein optimaler Wert des Verhältnisses von Abstand b, gemessen von dem Gaseinlassende q zu der Trennwand 48, zu dem Durchmesser ∅B des Auspuffrohrs 44B mit einer Glockenöffnungsgestalt durch den folgenden Ausdruck (8) erhalten wird:

(b/∅B) = 0,25 (8)

Falls der Schalldämpfer mit weniger Kosten bereitgestellt werden soll, wobei ein Massenherstellungsfehler in Betracht gezogen wird, kann das Verhältnis (b/∅B) im Bereich des folgenden Ausdrucks (9) eingestellt werden:

0,25 ≦ (b/∅B) ≦ 1,2 (9)

Falls der Schalldämpfer weiterhin in einem Prozess mit relativ hoher Genauigkeit und einem geringen Massenherstellungsfehler hergestellt werden kann und wenn die Geräuschdämpfungswirkung verbessert werden soll, ohne die äußere Größe des Schalldämpfers zu verändern, bzw. wenn eine weitere Verringerung der Größe des Schalldämpfers erreicht werden soll, kann der Schalldämpfer in dem Bereich des folgenden Ausdrucks (10) konstruiert werden:

0,25 ≦ (b/∅B) ≦ 0,8 (10)

Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf die obigen Ausführungsformen begrenzt, sondern kann verschiedene andere Konfigurationen insoweit annehmen, als sie nicht von dem Wesen der Erfindung abweichen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung, wie oben dargestellt, ist es möglich, die Kompaktheit eines Schalldämpfers zu verbessern, während die für einen Schalldämpfer geforderte Leistung (Geräuschdämpfungscharakteristik und Motorleistungscharakteristik) beibehalten wird.

Als Folge davon können abgeleitete Wirkungen erreicht werden, wie z. B. ein Vergrößern der Freiheit der Fahrzeugkonstruktion sowie des Entwerfens eines Fahrzeugs, welches mit einem Schalldämpfer ausgestattet ist, wie z. B. ein Motorrad.

Das Verhältnis des Abstands a, gemessen von einem Gasauslassende p eines Auslassrohrs 42 zu einer Innenseite 46 einer hinteren Trennwand 40, zu einem Innendurchmesser ∅A des Auslassrohrs 42 wird in einer Beziehung von 0,6 ≦ (a/∅A) < 1,2 eingestellt, während das Verhältnis von Abstand b, gemessen von einem Gaseinlassende q eines Auspuffrohrs 44 zu einer Innenseite 48 einer vorderen Trennwand 38, zu einem Innendurchmesser ∅B des Auspuffrohrs 44 in einer Beziehung von 0,4 ≦( b/∅B) < 1,2 eingestellt wird, um einen Schalldämpfer mit einer optimalen Kombination von Motorleistungscharakteristik und Kompaktheit bereitzustellen, während eine Geräuschdämpfungswirkung beibehalten wird.

Claims (5)

1. Schalldämpfer (1; 12) für einen Verbrennungsmotor, umfassend:
eine im Allgemeinen hohle, zylindrische Expansionskammer (5a, 5b, 5c; 14; 34), welche gebildet ist aus einer Umfangswand (3; 16; 36) sowie einer vorderen und hinteren Trennwand (4a, 4b, 4c, 4d; 18, 20; 38, 40), welche in Bezug auf die Umfangswand (3; 16; 36) in einer vorderen und einer hinteren Stellung angeordnet sind;
ein Auslassrohr (6; 22; 42), welches durch die vordere Trennwand (4a; 18; 38) hindurch angeordnet ist, um ein Gas (G) in die Expansionskammer (5a; 14; 34) einzuleiten; und
ein Auspuffrohr (9; 24; 44; 44B), welches durch die hintere Trennwand (4d; 20; 40) hindurch angeordnet ist, um das Gas (G) von dem Innenraum der Expansionskammer (5c; 14, 34) abzulassen;
wobei dann, wenn ein Innendurchmesser des Auslassrohrs (6; 22; 42) als ∅A angenommen wird und der Abstand von einem Gasauslassende (p) des Auslassrohrs (6; 22; 42) zu einer Innenseite (26; 46) der hinteren Trennwand (20; 40) als a angenommen wird, sich der Innendurchmesser ∅A und der Abstand a in einer Beziehung von 0,6 ≦ (a/∅A) < 1,2 befinden.

2. Schalldämpfer (1; 12) für einen Verbrennungsmotor, umfassend:
eine im Allgemeinen hohle, zylindrische Expansionskammer (5a, 5b, 5c; 14; 34), welche aus einer Umfangswand (3; 16; 36) sowie einer vorderen und einer hinteren Trennwand (4a, 4b, 4c, 4d; 18, 20; 38, 40) gebildet ist;
ein Auslassrohr (6; 22; 42), welches durch die vordere Trennwand (4a; 18; 38) hindurch angeordnet ist, um ein Gas (G) in die Expansionskammer (5a; 14; 34) einzuleiten; und
ein Auspuffrohr (9; 24; 44; 44B), welches durch die hintere Trennwand (4d; 20; 40) hindurch angeordnet ist, um das Gas (G) von dem Innenraum der Expansionskammer (5c; 14, 34) abzulassen;
wobei dann, wenn ein Innendurchmesser des Auspuffrohrs (9; 24; 44; 44B) als ∅B angenommen wird und der Abstand von einem Gaseinlassende (q) des Auspuffrohrs (9; 24; 44; 44B) zu einer Innenseite (28; 48) der vorderen Trennwand (4a; 18; 38) als b angenommen wird, sich der Innendurchmesser ∅B und der Abstand b in einer Beziehung von 0,25 ≦ (b/∅B)< 1,2 befinden.

3. Schalldämpfer (1; 12) für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, wobei das Gaseinlassende (q) des Auspuffrohrs (44B) die Gestalt einer Glockenöffnung bzw. Trompetenöffnung bzw. eines Schalltrichters aufweist.

4. Schalldämpfer (1; 12) für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, wobei sich der Innendurchmesser ∅B und der Abstand b in einer Beziehung von 0,4 ≦ (b/∅B) < 1,2 befinden.

5. Schalldämpfer (1; 12) für einen Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei dann, wenn ein Innendurchmesser des Auslassrohrs als ∅A angenommen wird, der Abstand von einem Gasauslassende (p) des Auslassrohrs (6; 22; 42) zu einer Innenseite (26; 46) der hinteren Trennwand (20; 40) als a angenommen wird, ein Innendurchmesser des Auspuffrohrs (9; 24; 44; 44B) als ∅B angenommen wird und der Abstand von einem Gaseinlassende (q) des Auspuffrohrs (9; 24; 44; 44B) zu einer Innenseite (28; 48) der vorderen Trennwand (18; 38) als b angenommen wird, sich der Innendurchmesser ∅B und der Abstand b in der folgenden Beziehung zu dem Innendurchmesser ∅A und dem Abstand a befinden: (b/∅B) ≦ (a/∅A).