DE602004007163T2

DE602004007163T2 - Verfahren zur reduzierung von lärm eines hochleistungs-verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE602004007163T2
Application number: DE602004007163T
Authority: DE
Inventors: Claes-Göran Johansson; Mats Abom
Original assignee: Wartsila Finland Oy
Current assignee: Wartsila Finland Oy
Priority date: 2003-12-31
Filing date: 2004-12-16
Publication date: 2008-02-21
Anticipated expiration: 2024-12-17
Also published as: US20070240933A1; EP1704306A1; SE526680C2; DE602004007163D1; WO2005064127A1; ATE365266T1; EP1704306B1; SE0303613L; SE0303613D0

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft die Schalldämpfung des Geräuschs bei der Freisetzung der Abgase von einer Hochleistungs-Brennkraftmaschine.
Stand der Technik
Ein bei der Konstruktion eines mit einer oder mehreren Hochleistungs-Brennkraftmaschine(n) angeschlossenen Abgassystems zu berücksichtigender wichtiger Faktor ist das Geräusch in enger Nähe des Auslasses des Systems. Beispiele einer solchen Hochleistungs-Brennkraftmaschine sind ein Dieselmotor für einen Schiff, für ein Kraftwerk oder für einen Zug. Unter Hochleistungs-Brennkraftmaschine wird ein Motor mit einer Gesamtleistung von mehr als 500 kW verstanden. Ein herkömmliches Verfahren zur Schaffung eines Systems von Dämpfern zur Schalldämpfung umfasst solche Dämpfer, die als eine Einheit gebaut und geliefert werden. Eine solche Einheit neigt dazu, sperrig zu sein.
Bei einem herkömmlichen System zur Schalldämpfung von Geräuschen mit Bezug auf ein Abgassystem der Abgase bei einem Schiff wird von einem standardisierten System von Dämpfern Gebrauch gemacht, die in Wänden aus Metall verlegt sind. Ein solches standardisiertes System von Dämpfern kann als solches als Dämpfer bezeichnet werden und ist eine sperrige Einheit mit einer großen Querschnittsfläche, die einem typischen Durchmesser von 2–4 Meter entspricht. Dies bedeutet, dass in dem Fall eines Kreuzfahrtschiffs, das typischerweise mit sechs Dieselmotoren ausgerüstet ist, die Schalldämpfer einen wertvollen Raum einnehmen, der ansonsten für zusätzliche Kabinen verwendet werden könnte.
Es ist bekannt, dass man das Geräusch des Abgassystems einer Hochleistungs-Brennkraftmaschine durch Verwendung unterschiedlicher Arten von Dämpfungstechniken reduzieren kann. Eine Art der Reduzierung des Geräuschs besteht darin, Hindernisse oder Stufen akustischer Impedanz für die sich vorwärts bewegende akustische Welle in dem Abgassystemkanal anzuordnen. Auf diese Weise wird die Ausbreitung des Geräuschs in dem Kanal des Abgassystems verhindert. Dieser Typ eines Schalldämpfers ist gemeinhin als reaktiver Dämpfer bekannt. Ein solcher reaktiver Dämpfer verbraucht keine Energie. Es gibt zwei Hauptprinzipien, nach denen solche reaktive Dämpfer arbeiten. Eine erste Art eines reaktiven Dämpfers ist ein Reflexionsdämpfer, der mit einer Vergrößerung der Querschnittfläche verbunden ist. Diese Flächenvergrößerung verursacht eine Reflexionswelle, die sich in einer Richtung entgegengesetzt zu der Ausbreitung des Schalls ausbreitet. Ein solches Hindernis kann als eine Wand betrachtet werden, in der der Schall abprallt. Eine zweite Art eines reaktiven Dämpfers ist ein Resonanzdämpfer, der die Ausbreitung des Schalls in einem Kanal beeinflusst. Ein solches Hindernis fungiert als Fallgrube, in die der sich vorwärts bewegende Schall auf seinem Weg in Richtung zu der Öffnung fällt. Die Schalldämpfungseigenschaften für einen reaktiven Dämpfer hängen auch davon ab, wo der Schalldämpfer in dem System angeordnet ist.
Ein anderer Typ eines Dämpfers ist ein resistiver Dämpfer. Eine typische Ausführungsform eines resistiven Dämpfers ist ein rundes oder quadratisches Rohr, dessen Seiten mit einem Absorptionsmittel oder einem porösen Medium mit kleinen verbundenen Hohlräumen beschichtet sind. Ein solcher Schalldämpfer, der für ein Lüftungssystem bestimmt ist, ist in dem Patentdokument GB 1 122 256 beschrieben. Ein anderer resistiver Dämpfer, der für ein Abgassystem bestimmt ist, ist in US 2 826 261 beschrieben. Als Absorptionsmittel wird üblicherweise Mineralwolle oder Glaswolle verwendet, die ein Klebemittel enthält, das bewirkt, dass das Absorptionsmittel eine gebundene Struktur aufweist. Eine gaspermeable Oberflächenschicht, wie eine perforierte Platte, kann das Absorptionsmittel auch schützen. Ein solcher resistiver Dämpfer weist eine Schalldämpfungseigenschaft auf, die einen großen Frequenzbereich abdeckt und abgesehen von der Dicke und der Strömungsrate des Absorptionsmittels von der Länge und der Innenfläche des Dämpfers abhängt. Das Verhältnis zwischen der Dicke des Absorptionsmittels und der Länge der akustischen Wellen, die Teil des Schalls sind, ist für die Dämpfung tieferer Frequenzen bestimmend. Eine zufrieden stellende Dämpfung wird für Schallfrequenzen erreicht, wenn die Dicke des Absorptionsmittels größer als ein Viertel der Wellenlänge des Schalls ist. Die Schalldämpfereigenschaften nehmen dann für Schall niedrigerer Frequenzen drastisch ab, der eine größere Wellenlänge besitzt. Sogar dann, wenn das Verhältnis zwischen der Wellenlänge und der Dicke des Absorptionsmittels etwa 1/8 ist, ist die Absorption nur halb so groß, und bei einem Verhältnis von 1/16 ist sie nur 20% der Absorption, die bei einem Verhältnis von 1/4 erreicht wird. Da ein gewisses Absorptionsvermögen verbleibt, kann in vielen Fällen eine ausreichende Absorption durch Vergrößerung der Länge des gesamten Absorptionsmittels in dem Abgassystem erreicht werden. Des Weiteren ist die Querschnittsfläche oder der Durchmesser des Abgassystems für die erreichte Schalldämpfung von Bedeutung, da die Reduzierung in dem oberen Frequenzbereich des Schalls mit vergrößerter Querschnittsfläche abnimmt. Daher besteht ein Problem bei einem solchen resistiven Dämpfer darin, dass das Absorptionsmittel dick sein muss, um niedrige Frequenzen absorbieren zu können. Dies bedeutet ein großes Volumen. Jedoch kann eine größere Gesamtlänge des Dämpfers eine geringere Dicke des Absorptionsmittels ausgleichen. Dies führt zu erhöhten Kosten der erreichten Schalldämpfung. Ein weiteres Problem eines Abgassystems besteht darin, dass der Druckabfall begrenzt sein muss. Dies führt zu einer verhältnismäßig großen Querschnittsfläche des Systems. Die Schalldämpfung im oberen Frequenzbereich des Schalls ist daher verringert. Es ist häufig feststellbar, dass bei herkömmlichen Verfahren, die für Eigenschaften des Schalldämpfungssystems sorgen, die in einem Labor erreicht werden, insbesondere bei niedrigen Frequenzen, diese in der Praxis selten erreicht werden. Dies führt zu einer Überdimensionierung, um eine befriedigende Schalldämpfung sicherzustellen.
Die oben angegebenen Dämpfer sowie eine andere Art von Dämpfern können zu einem Element kombiniert werden. Ein Beispiel eines solchen Elements ist in US 4 371 054 beschrieben.
WO 98/27 321 zeigt ein Beispiel eines Systems mit einem Reflexionsdämpfer und einem reaktiven Dämpfer. Jedoch besteht ein verbleibendes Problem darin, Dämpfer für verlängerte Auslasskanäle in effizienter Weise zur Verfügung zu stellen.
Verfahren zum Modellbildung von Geräuschen in einem Abgassystem können auf der Vierpoltheorie, der Handhabung niedriger Frequenzen, basieren, oder auf Leistungsflussmodellen, der Handhabung hoher Frequenzen, basieren. Es gibt kein bekanntes wirksames Verfahren zur Modellbildung von Abgassystemen für große Brennkraftmaschinen mit Mehrfach-Dämpfern und anderen Komponenten über dem gesamten Frequenzbereich.
Ein noch weiteres Problem bei der Konstruktion des Systems besteht darin, in wirksamer Weise ein Modell zu bilden und unterschiedliche Kombinationen von Elementen mit sich verändernden Charakteristika zu versuchen und ein sofortiges Ergebnis mit Bezug auf die Wirkung bei der Schalldämpfung zu erhalten, beispielsweise an Bord eines Schiffs, in Abhängigkeit von der Kombination von Elementen.
Ein weiteres verbleibendes Problem besteht darin, ein Schalldämpfungssystem in einer zuverlässigen Weise auszubilden, das nicht nur Geräuscherfordernisse erfüllt, sondern auch sicherstellt, dass das Schalldämpfungssystem weder überdimensioniert noch vom Standpunkt der Konstruktion überschätzt ist. Ein weiteres Problem während der Konstruktionsphase eines Schalldämpfungssystems besteht darin, auch in der Lage zu sein, den Druckabfall zu minimieren, da ein großer Druckabfall den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine mit oder ohne Turbolader herabsetzt.
Ein besonderes Problem ist die Konstruktion und der Zusammenbau eines Geräuschreduzierungssystems, das für ein Kreuzfahrtschiff bestimmt ist, wo die Anforderungen an dem Geräuschpegel wegen der hohen Anforderungen an den Komfort der Fahrgäste streng sind.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren für die Zurverfügungstellung eines Systems zur Schalldämpfung eines Geräuschs bei einem Abgassystem der Abgase einer Hochleistungs-Brennkraftmaschine zu schaffen, bei dem für die Schalldämpfung bestimmte Elemente wirksamer und genauer als bei bekannten Verfahren sind, die in einer Rechenvorrichtung als Modell gebildet sind, und wobei das Verfahren die oben angegebenen Nachteile nicht aufweist. Das Verfahren soll es möglich machen, dass ein geschätzter Geräuschpegel nicht nur in einem Band niedriger Frequenzen und in einem Band hoher Frequenzen, sondern auch in einem Band mittlerer Frequenzen mit hoher Genauigkeit berechnet wird. Daher macht das Verfahren eine Schätzung des Geräuschs und der Dämpfungswirkung im gesamten Frequenzbereich möglich. Ein erfindungsgemäßes System zur Schalldämpfung soll es möglich machen, das Abgassystem mit Dämpfern auszustatten, deren Durchmesser bei einem Vergleich mit einem herkömmlichen System zur Schalldämpfung kleiner sind. Ein erfindungsgemäßes Verfahren soll ein System zur Schalldämpfung zur Verfügung stellen, bei dem Dämpferelemente entlang des Abgassystems der Abgase angeordnet sind, wobei ein solches System bei einem Vergleich mit einem Abgassystem, das mit Schalldämpfern entsprechend den zuvor beschriebenen herkömmlichen Verfahren ausgestattet ist weniger Raum in Anspruch nimmt und leichter ist. Ein solches herkömmliches Verfahren umfasst die Verwendung eines sperrigen Behälters eines Systems von Dämpfern. Des Weiteren soll das erfindungsgemäße Verfahren es möglich machen, dass ein Benutzer eine Analyse unterschiedlicher Konstruktionsalternativen schnell durchführt. Das Verfahren macht es möglich, dass die Erfordernisse an den Geräuschpegel in enger Nähe des Auslasses des Abgassystems erfüllt sind. Das Verfahren soll es möglich machen, diese Anforderungen in einem Frequenzbereich von 25 Hz bis 10 kHz zu erfüllen. Des Weiteren soll das Verfahren für einen geringeren Druckabfall als bei den herkömmlichen Verfahren sorgen.
Die oben angegebene Aufgabe wird mittels eines Verfahrens nach Anspruch 1 gelöst.
Die Erfinder haben festgestellt, dass ein besonderes geeignetes Element bei dem Verfahren zu verwenden ist, folglich gibt es bei dem vorgesehenen Verfahren zur Schalldämpfung ein Element, wobei jedes Element einen ersten reakti ven Teil, einen resistiven Teil und einen zweiten reaktiven Teil umfasst. Eine alternative Bezeichnung für ein solches Element ist Triple oder ein Tripledämpfer.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Computerprogramm zur Verfügung zu stellen, das jeden der Schritte des oben angegebenen Verfahrens ausführen kann.
Eine noch weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Abgassystem mit einem Schallreduzierungssystem, das entsprechend dem oben angegebenen Verfahren ausgebildet ist, zur Verfügung zu stellen.
Es ist selbstverständlich, dass die Figuren und die Beschreibung von Ausführungsformen ausschließlich Beispiele möglicher Ausführungsformen sind und die der Erfindung zu Grunde liegende Idee nicht einschränken sollen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird detaillierter in Verbindung mit den beigefügten schematischen Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
1 eine Gesamtansicht eines Schiffs mit einem Abgassystem und einer Position, der ein gewünschter Geräuschpegel zugeordnet ist;
2 ein vereinfachtes Fließdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens einer Computereinrichtung und eines Benutzers, beispielsweise eines Ingenieurs, der Vorrichtung;
3 eine Gesamtansicht eines Dämpferelements, dessen Eigenschaften in dem Schritt der Modellbildung bei dem Verfahren verwendet werden. Dieser Typ eines Elements wird in einer Vielzahl von Positionen in dem Abgassystem bei der Modellbildung verwendet;
4 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Abgassystems mit Schalldämpfung;
5 eine schematische Darstellung einer Anzeige, die Eingänge bzw. Eingaben für eine Reihe von Funktionen aufweist, die die Erfindung betreffen;
6 eine Gesamtansicht, die zeigt, dass ein Beitrag zu einer Dämp fungswirkung eines der Dämpfungselemente in einem niedrigen Frequenzbereich, einem mittleren Frequenzbereich und einem oberen Frequenzbereich erreicht wird;
7 ein vereinfachtes Diagramm einer berechneten Dämpfungswirkung eines Dämpfungselements 20 in dem niedrigen Frequenzbereich;
8 ein vereinfachtes Diagramm einer Dämpfungswirkung in dem niedrigen Frequenzbereich eines Schallreduzierungssystems, das Dämpfungselemente aufweist, die erfindungsgemäß zur Verfügung gestellt werden.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 zeigt ein Beispiel eines Abgassystems 1 für Abgase einer Hochleistungs-Brennkraftmaschine, beispielsweise eines Dieselmotors 4 für ein Schiff 2. Eine Position 3 ist einem gewünschten Geräuschpegel zugeordnet. Diese Position 3 befindet sich typischerweise in enger Nähe zum Auslass des Abgassystems. Ein gewünschter Geräuschpegel ist typischerweise definiert als ein A-gewichteter Wert. Gewünschte Werte liegen typischerweise im Bereich von 60 dBA bis 70 dBA.
Wie 1 zeigt, umfasst das Abgassystem eine Reihe unterschiedlicher Einheiten. Beispiele solcher Einheiten sind ein Turbolader, ein Boiler 5 oder ein Wärmetauscher 5. Ein Wärmetauscher ist eine übliche Einheit, in der ein Teil der überschüssigen Erhitzung des heißen Gases zum Erhitzen von Wasser oder Öl abgezogen wird. Bei einer Ausführungsform eines Abgassystems, bei dem Dämpferelemente erfindungsgemäß gestaltet worden sind, befinden sich die Dämpfer 20 hinter dem Boiler 5. Bei einer alternativen Ausführungsform können sich Dämpfer auch vor dem Wärmetauscher oder Boiler befinden.
2 zeigt ein vereinfachtes Fließdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Des Weiteren gibt 2 an, dass die Schritte des Hinzufügens von Elementen 7, des Einsetzens von einzelnen Dämpfungsvorrichtungen 8 und der Berechnungsschritt 9 mittels einer Computereinrichtung 13 durchgeführt werden. Es ist einzusehen, dass eine Ausführungsform der Erfindung auch die Modellbildung des nicht-gedämpften Abgassystems umfassen kann, zu dem die Öffnung, geradlinig verlaufende Rohre und gekrümmte Rohre etc. gehören. Als eine Alternative kann die Modellbildung des nicht-gedämpften Abgassystems in einer anderen Berechnungsumgebung durchgeführt werden, die sich von der Computereinrichtung unterscheidet. Beschränkungen und Einzelheiten des nicht-gedämpften Abgassystems können in Blaupausen oder als CAD-Zeichnungen oder in ähnlicher Weise definiert sein. Der Hinzufügungsschritt 7 von 2 umfasst die Modellbildung einer Vielzahl von Dämpferelementen 20, die in 3 dargestellt sind. Diese Elemente umfassen einen ersten reaktiven Teil 21, einen resistiven Teil 22 und einen zweiten reaktiven Teil 23. Die Erfinder haben festgestellt, dass die Verwendung solcher Elemente bei einem realen Abgassystem 1, auf der Grundlage der Erfindung, zu einer erhöhten Genauigkeit zwischen einem geschätzten Geräuschpegel und einem gemessenen Geräuschpegel führt. Es ist vorteilhaft, zwei bis vier solche Elemente zu verwenden. Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren können diese Elemente typischerweise die ersten Schalldämpfer sein, die einem Modell eines realen Abgassystems hinzuzufügen sind. Die Position eines solchen Elements in dem Kanal hängt häufig von dem verfügbaren Raum zwischen gekrümmten Rohren ab. Der Hinzufügungsschritt 7 umfasst typischerweise eine Wechselwirkung zwischen einem Benutzer 14 und der Computereinrichtung 13. Der Benutzer 14, beispielsweise ein Konstruktionsingenieur, gibt die Elemente betreffende Parameter über eine Benutzerschnittstelle ein. Beispiele solcher das Element 20 betreffenden Parameter sind in 3 dargestellt und können D1, D2, xi glatt und xi Perforation sein. Diese Schalldämpfungseigenschaften sind detaillierter in der nachfolgenden Beschreibung zu 3 beschrieben.
Des Weiteren haben die Erfinder festgestellt, dass die Verwendung der Elemente 20 eine wirksame Kombination der Schalldämpfungseigenschaften solcher Elemente 20 mit einzelnen reaktiven und resistiven Vorrichtungen es möglich macht, was zusammen den gewünschten Geräuschpegel ergibt. Der Einfügungsschritt von 2 umfasst das Einfügen mindestens einer einzelnen Dämpfungsvorrichtung. Ein typisches reales gedämpftes System, wie beispielsweise für ein Kreuzfahrtschiff, das auf der Erfindung beruht, umfasst mindestens vier solche einzelne Vorrichtungen. Eine solche einzelne Vorrichtung weist ihre hauptsächliche Dämpfungswirkung in dem niedrigen Frequenzbereich oder in dem oberen Frequenzbereich auf. Eine solche einzelne Vorrichtung mit Dämpfung in dem niedrigen Frequenzbereich ist eine solche ähnlicher Bauweise wie Teil 21 oder 23 des Dämpfungselements 20. Eine solche einzelne Vorrichtung mit Dämpfung in dem oberen Frequenzbereich ist eine solche ähnlicher Bauweise wie Teil 22 des Dämpfungselements 20. Daher ist eine solche einzelne Vorrichtung typischerweise entweder eine reaktive oder eine resistive Vorrichtung. Des Weiteren können während einer Wiederholung des Einfügungsschritts 8 zusätzliche einzelne Dämpfungsvorrichtungen hinzugefügt werden. Alternativ können zu ausschließlich der Hinzufügung einer Vorrichtung bei einer Wiederholung des Einfügungsschritts 8 akustische Eigenschaften der bereits hinzugefügten einzelnen Dämpfungsvorrichtungen verändert werden. Bei einer alternativen Ausführungsform kann der Einfügungsschritt 8 auch vorsehen, dass die Position der bereits eingefügten Elemente oder einzelnen Vorrichtungen verändert wird. Die Änderung der Position der reaktiven einzelnen Vorrichtungen und Elemente hat einen Einfluss auf die Gesamtdämpfungswirkung in dem niedrigen Frequenzbereich. Die Dämpfungswirkung in dem hohen Frequenzbereich hängt von der Gesamtlänge der resistiven einzelnen Vorrichtungen und der resistiven Teile 22 des Dämpfungselements ab. Des Weiteren hängt die Dämpfungswirkung in dem hohen Frequenzbereich von der Art des Materials r₀, der Gesamtmenge des Materials, der Art der Perforation x_i und anderen Parametern der resistiven Teile ab, die 3 dargestellt sind.
Der Berechnungsschritt 8 umfasst die Berechnung einer Dämpfungswirkung der Elemente 20 und einer Dämpfungswirkung der einzelnen Dämpfungsvorrichtungen. Es ist vorteilhaft, das Ergebnis der Berechnung dem Benutzer der Berechnungseinrichtung 13 als Gesamtdämpfungswirkung in einer Vielzahl von Frequenzbändern zu präsentieren. Es ist das Ziel, die Dämpfungswirkung mindestens gleich einer benötigten Dämpfung in dem realen Abgassystem 1 zu machen. Die benötigte Dämpfung bezieht sich auf den Schalldruckpegel der Hochleistungs-Brennkraftmaschine. Die benötigte Dämpfung kann als Schalldruckpegel vermindert um den gewünschten Geräuschpegel berechnet werden. Der Berechnungsschritt 9 von 2 kann eine Berechnung eines geschätzten Geräuschpegels umfassen, der einer Position in enger Nachbarschaft des Auslasses des Abgassystems entspricht.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform gehört zu dem Berechnungsschritt 9, dass ein Beitrag zu einer geschätzten Dämpfungswirkung ein Band von Frequenzen umfasst, die der Dämpfung von Zwischenfrequenzen mit Bezug auf ein Element 20 entsprechen. Die Dämpfung wird unter Verwendung der Vierpoltheorie und unter Verwendung von Leistungsflussmodellen berechnet.
Ein Systemparameter, den man bei einer bevorzugten Ausführungsform konstant hält, ist der Schalldruckpegel der Hochleistungs-Brennkraftmaschine 4. Die Hochleistungs-Brennkraftmaschine 4 fungiert als eine Schallquelle für das Abgassystem. Der Schalldruckpegel der Brennkraftmaschine ist typischerweise ein voraus gesehener Schalldruckpegel und wird als Eingabe der Berechnungseinrichtung als ein Schallspektrum eines Bandes von Frequenzen zugeführt. Der Hersteller des Motors liefert typischerweise das Schallspektrum oder definiert dieses. Es ist von besonderer Bedeutung, dass das Schallspektrum zuverlässig ist und dem Schallspektrum des realen Motors entspricht, der als Schallquelle des realen Abgassystems vorzusehen ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform basiert dieses Schallspektrum auf einer Schallleistung, die von dem Abstand von der Schallquelle unabhängig ist. Jedoch gehört zu einem herkömmlichen Verfahren zur Zurverfügungstellung des Schallspektrums des Motors die Messung des Geräuschs außerhalb des Auspuffendrohrs des Motors mittels eines Mikrofons. Zu einem solchen Verfahren gehört ferner, dass das gemessene Schallspektrum durch Berechnung zu einem Schallleistungsspektrum transformiert wird, das der Schallleistung der Brennkraftmaschine entspricht. Stattdessen ist es erfindungsgemäß von Vorteil, die Schallleistung so nahe wie möglich bei dem Einlass des Abgassystems 1 zu messen. Als Alternative kann die Schallleistung an dem Auspuffendrohr der Brennkraftmaschine oder einer Einheit des gleichen Typs wie der Motor, bevor er zur Verfügung gestellt wird, als eine Schallquelle des realen Abgassystems gemessen werden. Da der gewünschte Geräuschpegel am Auslass 3 des Abgassystems typischerweise ein maximaler Pegel ist, sollte das Schallleistungsspektrum der Brennkraftmaschine 4 der vollen Leistung des Motors entsprechen.
Ein weiterer Systemparameter, der normalerweise während des Modellbildungs- und des Berechnungsschritts konstant gehalten wird, ist die Gesamtlänge des Abgaskanals. Die Gesamtlänge sowie andere Grenzbedingungen sind üblicherweise auf Blaupausen oder in Zeichnungen angegeben.
Es ist vorteilhaft, dass jedes Element, einzelne gedämpfte Vorrichtung oder andere Teile des als Modell gebildeten Abgassystems als Softwareobjekte oder Ähnliches bei der Modellbildung ausgebildet werden. Prinzipiell können die mittels einer Berechnungseinrichtung behandelten Schritte in einer Software implementiert werden, die in irgendeiner Art einer Berechnungsumgebung ausführbar ist.
3 zeigt eine Gesamtansicht eines Dämpferelements 20, dessen Eigenschaften als Parameter in dem Hinzufügungsschritt 7 des Verfahrens verwendet werden. 3 zeigt einen Querschnitt durch ein solches Dämpferelements. Dieser Typ eines Elements wird in einer Vielzahl von Positionen in einem Abgassystem 47 entsprechend 4 als Modell gebildet. Ein solches Element weist einen ersten reaktiven Teil 21, einen resistiven Teil 22 und einen zweiten reaktiven Teil 23 auf. Ein solches Element kann auch als ein akustisches Element angesehen werden, womit vorgeschlagen wird, dass der erste reaktive Teil 21, der resistive Teil 22 und der zweite reaktive Teil 23 nicht notwendigerweise gegenständlich zusammengefügt sind. Das Element ist auf Grund der nachfolgenden Angaben besonders geeignet. Bei einem Abgassystem 1 baut sich ein Schallfeld in der gleichen Weise wie in einem Raum auf, wobei dieses Schallfeld durch die Grenzbedingungen in dem Kanal bestimmt sein sollte. Es gibt eine deutlich ausgeprägte Richtung der Bewegung der Schallenergie von der Schallquelle 40 zu der Öffnung 6, 46. Die akustischen Grenzbedingungen sind daher durch die Eigenschaften der begrenzenden Flächen des Kanals bestimmt. Nicht zuletzt sind an der Öffnung die akustischen Grenzbedingungen kompliziert, da genau die Gestalt der Öffnung sowie das Phänomen, dass heißes Gas unter einem hohen Druck in die Luft mit normaler Temperatur und normalem atmosphärischen Druck herausgezogen wird, die Schallerzeugung beeinflussen. An der Öffnung wird der sich vorwärts bewegende Schall einer starken Reflexion ausgesetzt, wodurch sich ein Teil der Schallenergie in der entgegengesetzten Richtung bewegt. Der reflektierte Schall ist die Ursache für einen Schallfeld mit stehenden Wellen in dem Kanal. Bei einem ungedämpften Kanalsystem ist das Schallfeld fast ausschließlich durch diese Reflexionswellen bestimmt. Stehende Wellen mit ausgeprägten Knoten und großen Amplituden werden dem erzeugten Schallfeld hinzugefügt. Durch Einführung einer Dämpfung in dem Kanalsystem wird das Schallfeld weniger ausgeprägt. Die Erfinder haben festgestellt, dass es durch die Verwendung des Elements 20 möglich ist, das in dem Kanal erzeugte Schallfeld lokal zu kontrollieren bzw. zu steuern. Für niedrige Frequenzen bis zu einer Aufteilungsfrequenz bewirkt eine Flächenvergrößerung eine Reflexionswelle, wo ein Teil des sich vorwärts bewegenden Schalls zurückprallt. Bei einem gedämpften länglichen Kanalsystem 47 bedeutet dies, dass bei einer solchen Flächenvergrößerung ein Knoten in dem Schallfeld angeordnet wird. Die Rohre der reaktiven Teile 21 und 23 sollten an einem Druckmaximum angeordnet sein, das der abgestimmten Frequenz entspricht. Die Längen L2 und L4 sollten etwa, jedoch nicht genau, der Wellenlänge für die abgestimmte Frequenz entsprechen. Dies ist vorzusehen, damit die Rohre der reaktiven Teile 21 und 23 einen Vorteil aus einer Reflexionswelle infolge der Flächenvergrößerung zwischen Teil 21 und 22 bzw. zwischen Teil 22 und 23 ziehen. Dies entspricht: λ = c/fwobei λ die Wellenlänge ist, c die Schallgeschwindigkeit ist und f die Frequenz ist. Es ist zu beachten, dass die Schallgeschwindigkeit von der Lufttemperatur abhängt. Daher ist es bei einem erfindungsgemäßen Abgassystem wichtig, Temperaturänderungen entlang des Kanals 47 zu berücksichtigen.
4 zeigt ein Beispiel eines Abgassystems mit erfindungsgemäßer Schalldämpfung. 20a und 20b sind zwei Dämpfungselemente je mit zwei reaktiven Teilen. Die reaktiven Teile weisen typischerweise abgestimmte Frequenzen zwischen 65 Hz bis 200 Hz auf. Die Elemente 20a und 20b machen wirksamen Gebrauch von zur Verfügung stehendem Raum und sind kosteneffektiv bei dem Abgassystem vorzusehen. Das Abgassystem weist einen Einlass 40 auf, der mit einer Schallquelle, wie beispielsweise einer Hochleistungs-Brennkraftmaschine 4, verbunden ist. Vom akustischen Standpunkt aus wird der Einlass 40 als endloses Rohr betrachtet. Das Abgassystem weist auch einen Auslass 46 oder eine Öffnung auf, deren Gestalt und Größe einen erheblichen Einfluss auf den Schall in dem Kanal besitzen. Wenn der Schall den Kanal verlässt, führt dies zu Reflexionswellen. Ein Abgassystem, wie beispielsweise das in 4 gezeigte, weist häufig einen Boiler 42 oder Wärmetauscher auf. Ein solcher Boiler 42 hat drei Hauptwirkungen auf die akustische Umgebung. Die erste Wirkung besteht darin, dass der Boiler 42 die Temperatur des Abgases herabsetzt und daher die Schallgeschwindigkeit vor und hinter dem Boiler 42 unterschiedlich sind. Die zweite Wirkung besteht darin, dass der Boiler 42 als eine Grenzbedingung in gleicher Weise wie die Öffnung angesehen werden kann. Ein Boiler 42 oder eigentlich eine Flächenvergrößerung/verkleinerung in dem Boiler führt eine ausgeprägten Impedanz ein. Dies macht es möglich, einzelne reaktive Vorrichtungen sowie reaktive Teile des Dämpfungselements mit Bezug auf den Boiler 42 zu platzieren. Es ist vorteilhaft, eine solche Beziehung zum Platzieren der Öffnung einer einzelnen Dämpfungsvorrichtung, beispielsweise 43 und 45 in 4, bei einer geraden Anzahl eines Viertels einer Wellenlänge einer ausgeprägten Impedanz zu platzieren. Die dritte Hauptwirkung des Boilers 42 besteht darin, dass er eine Dämpfungswirkung hat, die bei einer Ausführungsform der Erfindung in Rechnung gestellt wird. Es sollte beachtet werden, dass 4 eine schematische Darstellung ist und ein reales Abgassystem andere Teile als die in der Figur angegebenen umfasst, beispielsweise gebogene Rohre, Flansche, Verbindungen zu mehreren Motoren etc.
5 ist eine schematische Zeichnung einer Anzeige, die Eingaben bzw. Eingänge einer Reihe von Funktionen 51–55 umfasst, die mittels der Berechnungseinrichtung 13 angezeigt werden, die die Erfindung betrifft. Die Erfinder haben festgestellt, dass es vorteilhaft ist, Funktionen wie beispielsweise eine Vorabanalyse 51, Elemente 52, ein System 53, eine Quelle bzw. ein Ausgangspunkt und ein Endpunkt 54 und eine Nachanalyse 55, zu implementieren. Eine solche Funktion der Elemente kann die Definition physikalischer und akustischer Eigenschaften der Elemente 20 sowie einzelner Vorrichtungen umfassen. Andere Beispiele von Elementen sind ein Boiler, ein Wärmetauscher, ein Rohreinlass, ein Rohrauslass oder ein Flansch. Eine Systemfunktion kann umfassen, dass unterschiedliche Elemente einem Modell eines Abgassystems 1 hinzugefügt oder dort eingesetzt werden. Viele alternative Definitionen von Funktionen sind bei einer Ausführungsform der Erfindung möglich.
6 ist eine Gesamtansicht, die zeigt, dass ein Beitrag zu einer Dämpfungswirkung bei den Zwischenfrequenzen 60 durch Verwendung des Dämpferelements 20 erreicht wird. Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird eine Dämpfungswirkung unter Verwendung eines Bandes von Frequenzen berechnet. Es ist vorteilhaft, Bänder zu verwenden, bei denen jedes Band einer Terz entspricht. Andere Abstände zwischen den Bändern sind möglich. 6 zeigt, dass die Dämpfungswirkung des Elements 20 bei den niedrigen Frequenzen 61 hauptsächlich durch die reaktiven Teile 21 und 23 erreicht wird. Es sollte beachtet werden, dass auch der resistive Teil 22 einem Beitrag zu der Dämpfungswirkung in dem niedrigen Frequenzbereich wie ein Reflexionsdämpfer leistet. Der resistive Teil 22 arbeitet als Reflexionsdämpfer sowohl in der Richtung des Massenstroms der Abgase als auch als Reflexionsdämpfer in der anderen Richtung der Reflexionswellen von anderen Elementen oder beispielsweise Reflexionswellen von der Öffnung. Die Erfinder haben festgestellt, dass es vorteilhaft ist, mit dem resistiven Teil 22 bei der akustischen und physikalischen Konstruktion eines Moduls zu beginnen. Die Länge L3 sollte λ/4 unter Zugrundelegung einer kritischen Frequenz zum Dämpfen in dem niedrigen Frequenzbereich entsprechen. Ein Beispiel: wenn die kritische Frequenz bei 125 Hz liegt und die Temperatur des Abgases an der Position des Elements 350°C misst, wird die Schallgeschwindigkeit wie folgt berechnet:
Die Schallgeschwindigkeit misst 500 m/s, was dazu führt, dass für λ/4 L3 etwa 1 m messen sollte. Teil 21 und 23 sollten derart abgestimmt sein, dass 125 Hz die zentrale Frequenz oder nahe bei der zentralen Frequenz des vollständigen Elements in dem niedrigen Frequenzbereich ist. Es ist in diesem Fall vorteilhaft, Teil 21 auf eine Frequenz nahe bei 110 Hz und Teil 23 nahe bei 140 Hz abzustimmen. Die oben angegebene Berechnung von λ/4, um den Einlass der Rohre bei dem Druckmaximum anzuordnen, führt dazu, dass L2 von Teil 21 1,14 Meter und L4 von Teil 23 0,89 m misst.
4 zeigt ein vereinfachtes Diagramm einer berechneten Dämpfungswirkung eines Dämpfungselements 20 in dem niedrigen Frequenzbereich. Bei dem zuvor angegebenen Beispiel entspricht die zentrale Frequenz 125 Hz dem Zentrum 71 des Dämpfungsfrequenzbandes. Der erste reaktive Teil 21 entspricht der linken Kurve 70 der Dämpfungswirkung bei einer zentralen Frequenz nahe bei 110 Hz. Der zweite reaktive Teil 22 entspricht der rechten Kurve 72 der Dämpfungswirkung bei einer zentralen Frequenz nahe bei 125 Hz. Es ist vorteilhaft, die akustische Leistung jedes Dämpfungselements derart abzustimmen, dass die Gesamtdämpfungswirkung des Elements, in dem niedrigen Frequenzbereich, eine flache obere Seite 73 aufweist, die einer bestimmten Dämpfung gemessen in dB entspricht.
8 zeigt ein vereinfachtes Diagramm der Dämpfungswirkung in dem niedrigen Frequenzbereich eines Schallreduzierungssystems, das erfindungsgemäße ausgebildete Dämpfungselements aufweist. Jede der Kurven 80, 81 und 82 entspricht einem Dämpfungselement 20. Die Dämpfungswirkung jedes Elements 20 kann zu Dämpfungswirkungen mit unterschiedlichen Amplituden gemessen in dB führen, dies im Gegensatz zu der Fig., die ein System mit Dämpfungselementen 20 mit gleicher Amplitude 80, 81 und 82 für ihr Frequenzband zeigt. Ein wichtiger Vorteil eines erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass es möglich macht, dass ein Benutzer die Gesamtdämpfungswirkung jedes der Dämpfungselemente 80, 81 und 82 an die entsprechende Dämpfungswirkung der Hochleistungs-Brennkraftmaschine 4 anpasst.
Es sollte beachtet werden, dass die Elemente und einzelnen Vorrichtungen eine Gesamtdämpfungswirkung aufweisen, die größer als dann ist, wenn jede Dämpfungswirkung eine nach der anderen einer Gesamtwirkung hinzugefügt würde. Der Grund hierfür besteht darin, dass die Elemente und Vorrichtungen gemeinsam als Schalldämpfungssystem arbeiten. Eine akustische Wirkung, von der die Erfindung Gebrauch macht, besteht darin, dass Reflexionswellen durch Hinzufügen von Elementen mit resistiven Teilen 21, die einen reflektiven Charakter in dem niedrigen Frequenzbereich aufweisen, oder von einzelnen resistiven Vorrichtungen in geeigneten Positionen eingeführt werden können. Solche geeigneten Positionen sind geradzahlige Zahlen von 1/4 der gewünschten Wellenlängen für die Dämpfung.
Der Dämpfungselements 20a und 20b, sowie die einzelnen Vorrichtungen 43, 45, werden während des Hinzufügungsschritts 7 und des Einführungsschritts 8 derart in einem Modell angeordnet, dass die Gesamtdämpfungswirkung der Dämpfungselemente 80, 81 und 82 und die Dämpfungswirkung der einzelnen Vorrichtungen bestimmte Bänder der Frequenzspektren der entsprechenden Schallwirkung der Hochleistungs-Brennkraftmaschine 4 erfassen. Ein Benutzer 14 kann unterschiedliche Kombinationen von einzelnen Vorrichtungen und Dämpfungselementen 20 während des Wiederholungsschritts 10 versuchen, um nicht nur eine ausreichende Schalldämpfung zu erreichen, sondern auch das Dämpfungssystem als Modell derart auszubilden, dass es bei dem Abgassystem in einer kosteneffektiven Weise vorgesehen werden kann.
Die Dämpfungswirkung in dem hohen Frequenzbereich 62 jedes Elements wird hauptsächlich durch ein resistiven Teil 22 erreicht. Die Berechnung der Dämpfungswirkung wird derart durchgeführt, dass eine geschätzte Dämpfungswirkung ein Band von Frequenzen umfasst, die Zwischenfrequenzen 60 eines Elements 20 entsprechen. Ein solcher Beitrag zu den Frequenzen eines Elements 20 wird unter Verwendung der Vierpoltheorie und unter Verwendung von Leistungsflussmodellen berechnet. Jedes Element 20 leistet einen Beitrag zu der Dämpfung bei den niedrigen Frequenzen, den Zwischenfrequenzen und den hohen Frequenzen. Die Erfinder haben festgestellt, dass es vorteilhaft ist, eine Aufteilungsfrequenz zu verwenden, um zu bestimmen, bei welcher Frequenz die Berechnung auf der Vierpoltheorie oder der Leistungsflussmodelle beruhen soll. Die Aufteilungsfrequenz hängt von der Querschnittfläche des Transportsystems und der Schallgeschwindigkeit f₀(A, c) ab. Die Aufteilungsfrequenzen wird typischerweise wie nachfolgend angegeben berechnet:
wobei c die Schallgeschwindigkeit ist und d der Durchmesser des Transportsystems an dem Element ist. Entsprechend 6 stammt unterhalb der Aufteilungsfrequenz, der ebenen Wellenfläche, die Dämpfungswirkung des Elements hauptsächlich von den reaktiven Teilen 21 und 23.
Bei einer Ausführungsform bestimmt die Aufteilungsfrequenz, dass es nur der Beitrag von der Vierpoltheorie ist, der in dem Berechnungsschritt 9 zur Hinzufügung zu der berechneten Dämpfungswirkung unterhalb der Aufteilungsfrequenz für jedes der Dämpfungselemente 20 verwendet wird. Und in gleicher Weise bestimmt bei der derselben möglichen Ausführungsform die Aufteilungsfrequenz, dass nur der Beitrag von den Leistungsflussmodellen in dem Berechnungsschritt 9 zur Hinzufügung zu der berechneten Dämpfungswirkung oberhalb der Aufteilungsfrequenz verwendet wird.
Oberhalb der Aufteilungsfrequenz, die sich in der Mitte der Zwischenfrequenzen 60 von 6 befindet, stammt die Dämpfungswirkung eines realen Dämpfungselements hauptsächlich von dem resistiven Teil 22. Es sollte beachtet werden, dass die Dämpfungswirkung in dem hohen Frequenzbereich des resistiven Teils 22 nicht von der Position des Elements abhängt. Auch hängt die akustische Wirkung der einzelnen Dämpfungsvorrichtungen mit resistivem Charakter nicht von der Position ab. Jedoch ist es vorteilhaft, mindestens einige resistive Dämpfungselemente vor einem möglichen Boiler 42 oder Wärmetauscher zu platzieren.
Es ist vorteilhaft, die Dämpfungselemente 20 hinter einem möglichen Boiler 42 oder Wärmetauscher anzuordnen. Ein Grund hierfür besteht darin, dass hinter einem Boiler 42 gemeinhin mehr geradlinige Rohre zur Verfügung stehen. Ein anderer Grund besteht darin, dass die Temperatur der Abgase hinter einem Boiler 42 und Wärmetauscher abfällt. Dies bedeutet, dass die Schallgeschwindigkeit hinter dem Boiler herabgesetzt ist. Dies bedeutet seinerseits, dass die Abstimmung eines Elements 20 zur Dämpfung bei einer bestimmten zentralen Frequenz, beispielsweise bei 125 Hz, dazu führt, dass die benötigte Gesamtlänge des Elements 20 hinter dem Boiler 42 kürzer als vor dem Boiler ist.

Claims

Verfahren zum Schaffen eines Systems für die Geräusch-Schalldämpfung in einem Abgassystem (1) für die Abgase einer Hochleistungs-Brennkraftmaschine (4) wie etwa dem Abgassystem (1) in einem Schiff (2) oder in einem Kraftwerk, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: – Hinzufügen (7) mehrerer Elemente (20a, 20b) zu einem Modell des Abgassystems mittels einer Rechenvorrichtung (13), wobei jedes Element einen ersten reaktiven Teil (21), einen resistiven Teil (22) und einen zweiten reaktiven Teil (23) umfasst; – Einfügen (8) wenigstens einer einzigen Dämpfungsvorrichtung (44, 45) in das Modell mittels der Rechenvorrichtung (13); – Berechnen (9) einer Dämpfungswirkung der Elemente (20a, 20b) und einer Dämpfungswirkung der wenigstens einzigen Dämpfungsvorrichtung (44, 45) in Bezug auf einen Schalldruckpegel der Hochleistungs-Brennkraftmaschine (4) mittels der Rechenvorrichtung (13); – Wiederholen (10) des Einfügungs- und Berechnungsschrittes, bis eine ausreichende Dämpfung erreicht ist; und – Aufbauen (11) des Schalldämpfungssystems in der Weise, dass es mehrere wirkliche Elemente und wenigstens eine einzige wirkliche Dämpfungsvorrichtung, die als Kanalteile längs des Abgassystems montiert sind, umfasst, wobei ein gemessener Geräuschpegel in nächster Nähe des Auslasses unter einem Sollgeräuschpegel liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Beitrag zu einer geschätzten gedämpften Wirkung ein Band von Frequenzen umfasst, die Zwischenfrequenzen (60) eines Elements (20) entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Beitrag zu der geschätzten Dämpfungswirkung von Zwischenfrequenzen eines Elements (20) unter Verwendung einer Vierpoltheorie und unter Verwendung von Leistungsflussmodellen berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens einzige reaktive Dämpfungsvorrichtung (45) um eine ungerade Anzahl von Viertelwellenlängen von einer bestimmten Impedanz wie etwa einer Flächenzunahme (46), bei der die Wellenlänge die Abstimmfrequenz der einzigen Dämpfungsvorrichtung ist, beabstandet ist.
Verfahren nach Anspruch 4, das den zusätzlichen Schritt des Berechnens eines Druckabfalls längs des Abgassystems (1) umfasst.
Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die minimale Wellenlänge des Abgassystems 8 Meter beträgt und die Leistung der Brennkraftmaschine (4) größer als 500 kW ist.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das Abgassystem (1) einen Wärmetauscher oder Boiler (5, 42) umfasst, der die Temperatur des Abgases in dem Abgassystem (1) reduziert, weshalb die Wellenlänge des Schalls nach dem Wärmetauscher oder Boiler (5, 42) abnimmt, und die wenigstens einzige Dämpfungsvorrichtung um eine ungerade Anzahl von Viertelwellenlängen von dem Auslass des Wärmetauschers oder Boilers (5, 42) beabstandet ist, wo die Wellenlänge die Abstimmfrequenz der einzigen Dämpfungsvorrichtung ist.
Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1.
Computerprogramm, das in einem Medium gespeichert ist, das in den Speicher einer Computervorrichtung (13) geladen werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass das Computerprogramm irgendwelche der Schritte nach Anspruch 1 ausführen kann.
Lang gestrecktes Abgassystem für Abgase von einer Hochleistungs-Brennkraftmaschine (4), dadurch gekennzeichnet, dass für das Abgassystem ein System (47) zur Geräusch-Schalldämpfung gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 vorgesehen ist.