DE69728891T3

DE69728891T3 - Schalldämpfer für strömende gase

Info

Publication number: DE69728891T3
Application number: DE69728891T
Authority: DE
Inventors: Eyvind Frederiksen; Svend Frederiksen
Original assignee: Silentor Holding AS
Current assignee: Silentor Holding AS
Priority date: 1996-09-30
Filing date: 1997-09-30
Publication date: 2010-09-09
Anticipated expiration: 2017-10-01
Also published as: JP2001501269A; EP2182186A3; DE69728891D1; WO1998014693A1; EP2182186A2; EP1403476B1; EP0934457A1; AU4376797A; ES2376496T3; DK0934457T4; ATE265613T1; CA2267628A1; ATE471438T1; DK2182186T3; CA2267628C; EP0934457B1; WO1998014693A9; EP1403476A2; EP0934457B2; DK0934457T3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Schalldämpfung eines durch diese Vorrichtung geleiteten Gasstroms.
Es sind zwar viele Schalldämpfergestaltungen bekannt, jedoch sind die meisten dieser Vorrichtungen nicht besonders günstig bezüglich der dynamischen Strömungseigenschaften. Als Ergebnis intensiver Studien des strömungsdynamischen Verhaltens und der Erfordernisse für Schalldämpfersysteme ergibt die vorliegende Erfindung sowohl die grundlegenden physikalischen Prinzipien, nach welchen sich Schalldämpfer-Konstruktionen richten müssen, um bisher unerreichbare Kombinationen von wirksamer Schalldämpfung, niedrigem Staudruck (Druckdifferenz zwischen Eingang und Ausgang der Schalldämpfer-Vorrichtung) und kleinen Abmessungen, wie auch spezifische innovative mechanische Gestaltungsmerkmale, wie physikalische Konformationen der Durchgänge oder Körper im Strömungsweg – die in einer geeigneten Gesamtkonstruktion zusammenwirken, um überlegene Kombinationen der Leistungsergebnisse zu erzielen.
Es ist gemäß dem Stand der Technik wohlbekannt, daß die Schalldämpfung einer solchen Strömung erzielt werden kann, indem der Gasstrom über einem Eingangsdurchgang in einen Behälter hineingeleitet wird und durch eine oder mehrere Kammern in diesem Behälter geführt wird, wobei die Kammern über Durchgänge miteinander kommunizieren, wonach der Gasstrom durch einen Diffusor, der einem dieser Durchgänge zugeordnet ist, und dann aus dem Behälter in einen Auslaßdurchgang geleitet wird.
Die Gestaltung und/oder Dimensionierung solcher bekannter Vorrichtungen basierte auf Erfahrung, empirischen Iterationen, teilweiser Anwendung theoretischer Akustik sowie traditionellen Lösungen.
Der Druckverlust zwischen Eingang und Ausgang von jeder akustischen Kammer kann mit dem dimensionslosen Parameter ζ_j' ausgedrückt werden, der als Quotient des statischen Druckverlusts zwischen Eingang und Ausgang der Kammer und dem dynamischen Druck an einer Stelle im Durchgang definiert ist:
Dabei ist Δpj der statische Druckverlust zwischen Eingang und Ausgang der j-ten Kammer, ohne den statischen Druckverlust über einen monolithischen Körper, der als Option in der j-ten Kammer eingefügt ist, ρ ist die Dichte des Gases an jenem Ort, und u ist eine Strömungsgeschwindigkeit des Gases an jenem Ort, vorzugsweise die mittlere Gas-Strömungsgeschwindigkeit.
ζ_j' ist vorzugsweise höchstens 1.5.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Schalldämpfung eines durch diese Vorrichtung geleiteten Gasstromes, die zur Installation in einem Strömungssystem adaptiert ist. Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist im Anspruch 1 definiert.
Das Schallabsorbermaterial ist vorzugsweise in wenigstens einer der wenigstens einen akustischen Kammer(n) vorgesehen. Das Schallabsorbermaterial kann in jeder der wenigstens einen akustischen Kammer(n) vorgesehen werden.
Vorzugsweise wird die lokale natürliche Frequenz f_e von wenigstens einem System, welches das Gas von zwei aufeinander folgenden akustischen Kammern AC_j und AC_j+1 sowie das Gas des diese zwei akustischen Kammern verbindenden Durchgangs umfaßt, näherungsweise mit folgendem Ausdruck angegeben:
wobei V_j und V_j+1 die Volumina der Kammern AC_j beziehungsweise AC_j+1, sind (wobei das Volumen Vj+1 als unendlich groß gesetzt wird, wenn die Kammer ACj mit einer äußeren Umgebung oder mit einer äußeren Kammer in einer Richtung stromabwärts verbunden ist), a eine repräsentative Querschnittsfläche des Durchgangs ist, der die beiden aufeinanderfolgenden Kammern verbindet, L die Länge des Durchgangs ist, und c die lokale Schallgeschwindigkeit ist.
Die lokale natürliche Frequenz ist höchstens das 0,75-fache einer charakteristischen Frequenz des Strömungssystems. Für viele Anwendungen der Vorrichtung wird es bevorzugt, daß die lokale natürliche Frequenz f_e höchstens das 0,5-fache der charakteristischen Frequenz des Strömungssystems beträgt, zum Beispiel das 0,4-fache oder 0,3-fache, oder sogar das 0,25-fache, das 0,2-fache, das 0,15-fache, das 0,1-fache oder noch weniger.
Der Wert von ζ_j' für jede akustische Kammer beträgt höchstens 1,0. Der Wert von ζ_j' für wenigstens eine akustische Kammer beträgt vorzugsweise höchstens 0,75, oder noch weniger, wie 0,5, 0,25, 0,2 oder noch kleiner. Besondere Gestaltungen der Vorrichtung ermöglichen einen Wert weniger als oder gleich 0, wie unten erläutert wird.
In der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung werden Krümmungen, die eine Aufteilung der Strömung verhindern, vorzugsweise an wenigstens einem Teil der Kontur von einem Ausgang und/oder Eingang eines Rohrs oder Duchgangs der Vorrichtung angebracht, wobei das Rohr oder der Durchgang das Einlaßrohr oder seine Verlängerung in die Vorrichtung hinein und/oder das Ausgangsrohr oder seine Verlängerung in der Vorrichtung und/oder ein Durchgang ist, der zwei Kammern verbindet. Leitungsverengungseffekte können damit eliminiert oder wenigstens reduziert werden, so daß der Druckverlust zwischen dem Eingang und dem Ausgang der Vorrichtung vermindert wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Generatrix von wenigstens einem Teil wenigstens eines gekrümmten Durchgangs, ausgewählt von wenigstens einem Durchgang, in einer peripheren Richtung gewickelt werden, wobei wenigsten ein Teil des gekrümmten Durchgangs eine Spiralform in einer Ebene aufweist. Der Generatrix von wenigstens einem Teil von wenigstens einem gekrümmten Durchgang kann in einer peripheren Richtung gewickelt werden, wobei sich dieser Teil des betreffenden gekrümmten Durchgangs in einer Längsrichtung erstreckt, um so eine schraubenförmige Helixform zu bilden. Dabei werden alle drei Raumdimensionen genutzt, um einen relativ langen Durchgang oder relativ lange Durchgänge zu bilden.
Indem der Durchgang aufgewickelt wird, d. h. indem die dritte Raumdimension genutzt wird, kann die Länge des Durchgangs signifikant vergrößert werden, wodurch die natürliche Frequenz der Schalldämpfer-Vorrichtung erniedrigt wird, cf. Gleichung 2. Das Strömungsprofil des Durchgangs kann eine Zunahme der Strömungs-Querschnittsfläche in der Strömungsrichtung aufweisen. Damit kann ein Diffusoreffekt für die statische Druck-Zurückgewinnung erzielt werden. Die Zunahme des Querschnittflächenmaßes kann in zwei oder in drei Dimensionen stattfinden. Die Form der Querschnittsfläche des Durchgangs kann beliebig sein, zum Beispiel rechteckig, kreisförmig, ellipsenförmig oder eine beliebige andere Form.
Der gekrümmte Teil des Durchgangs kann sich radial über einen Winkel von weniger als 90° erstrecken, oder über einen Winkel zwischen 90° und 180°, oder über einen Winkel zwischen 180° und 270°, oder über einen Winkel zwischen 270° und 360°, oder über einen Winkel zwischen 360° und 720°.
Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, weist wenigstens zwei akustische Kammern auf, wobei eine erste dieser Kammern die zweite umschließen kann, so daß die zweite Kammer in der ersten Kammer eingebettet ist.
Der Generatrix des gekrümmten Teils des Durchgangs kann sich entlang einer Revolutionsfläche erstrecken, so daß er selbst eine Revolutionsfläche definiert. Die Revolutionsfläche kann jede beliebige Form aufweisen, z. B. kegelförmig.
Wenigstens ein monolithischer Körper oder ein Monolith wie ein Katalysator oder ein Partikelfilter kann stromaufwärts oder stromabwärts relativ zu einem Eingangsdurchgang und/oder einem Ausgangsdurchgang von einem oder mehreren Kammern positioniert werden, in manchen Ausführungsformen kann der monolithische Körper im wesentlichen unmittelbar stromaufwärts oder im wesentlichen unmittelbar stromabwärts relativ zum Eingangsdurchgang bzw. relativ zum Ausgangsdurchgang der einen Kammer oder der mehreren Kammern positioniert werden. Der monolithische Körper kann ringförmig sein.
Im aktuellen Kontext bezeichnet der Begriff ”monolithische Körper” oder ”Monolith”, wie üblich im technischen Gebrauch, einen Körper mit einer insgesamt oder makroskopischen monolithischen Erscheinungsform, wobei es sich in vielen Fällen um einen zylindrischen Körper handelt, der eine Struktur aufweist, die eine insgesamt axiale Gasströmung durch den Körper erlaubt. Der Begriff ”Monolith” schließt nicht aus, daß der Körper aus einer Mehrzahl von Segmenten hergestellt ist, die miteinander verbunden oder zusammen angeordnet sind. Die Struktur, die eine insgesamt axiale Gasströmung durch den Körper erlaubt, hängt vom Material und von der Konstruktion des Monolithen ab; zwei typische relevante Monolitharten sind:

– Ein aus einer Wellfolie angefertigter Monolith, der zylindrisch aufgerollt ist, so daß die Wellung axiale Kanäle für die Gasströmung bietet, und
– Ein aus einem gekörntem Keramikmaterial angefertigter Monolith, z. B. durch Sintern miteinander verbundene Siliziumcarbid-Partikel, mit einer Wabenstruktur, die axiale Kanäle aufweist, die gebildet sind als eine Mehrzahl sich alle ganz durch erstreckende Durchgänge, die mit gemeinsamen Durchgangswänden getrennt sind, wobei die Durchgänge abwechselnd am Eingang und am Ausgangsende geschlossen sind. In einem Filterkörper dieser Art strömt das Gas somit auf der Eingangsseite in die Durchgänge, die auf der Eingangsseite offen sind, dann durch die Wände in die Durchgänge, die am Ausgangsende offen sind, und dann aus dem Filterkörper heraus.

Monolithe werden manchmal in Schalldämpfern eingesetzt, um die Schalldämpfung und die Gasreinigung zu kombinieren, entweder in katalytischen Verfahren, durch mechanisches Filtern, oder beide. In den meisten Fällen werden solche Monolithen in einer oder in mehreren Kammern des Schalldämpfers eingesetzt. Monolithe können eine signifikante Schalldämpfung bei mittleren und hohen Frequenzen erzielen, sie dämpfen niedrige Frequenzen jedoch weniger. Offenkundig bewirken Monolithe zusätzlichen Druckverlust im Rohrsystem.
Wenn die Gasreinigung ausschließlich mittels Katalyse bewirkt wird, wird der Monolith normalerweise als eine Wabenstruktur mit geraden Kanälen hergestellt; ein solcher Monolith wird Durchfluß-Monolith genannt. Die Wände sind dünn, so daß die offene Vorderfläche typisch 70–90% beträgt, im wesentlichen vom Material abhängig (Keramik, Metall usw.).
Als Alternative kann ein Monolith als Wandströmungs-Monolith hergestellt werden, d. h. die Kanäle sind perforiert und teilweise blockiert, so daß die Gasströmung zwangsweise durch die Perforationen geleitet wird und somit der Strömungsweg durch den Monolith gewunden ist. Ein solcher Monolith wird entweder ausschließlich zum Filtern oder zum Filtern kombiniert mit katalytischer Aufbereitung des Gases verwendet. Manchmal wird die offene Vorderfläche weniger als 70%. Wandströmungs-Monolithe verursachen wesentlich höhere Druckverluste als Durchfluß-Monolithe.
Die Schalldämpfungswirkung der Monolithe kann etwa wie folgt beschrieben werden:

1. Die Strömung in den dünnwandigen Kanälen verursacht hohe Viskositätsreibung, die hauptsächlich mittlere und hohe Frequenzen dämpft.
2. Die Porositäten der Kanäle bewirken ein kumulatives akustisches Volumen, welches sich zum Volumen der Kammer, in welcher der Monolith unterbracht ist, hinzuaddiert.
3. Am Eingang und am Ausgang des Monolithen liegt eine effektive Änderung der Querschnittsfläche vor, die den Schall reflektiert, in der gleichen Weise, wie dies an Strömungseingängen und Strömungsausgängen stattfindet, die Schalldämpferkammern über Durchgänge verbinden. Die relative Änderung der Querschnittsfläche ist jedoch normalerweise viel kleiner im Fall von Monolithen, besonders im Zusammenhang mit Durchfluß-Monolithen.

Da Monolithen normalerweise mit einem Ringelement am Gehäuse befestigt sind, ist die effektive Querschnittsänderung gewöhnlich etwas größer als durch den eigentlichen Vorderflächen-Prozentsatz des Monolithen gegeben ist. Dieser Prozentsatz wird effektiver Vorderflächen-Prozentsatz genannt.
Auf der Grundlage dieser Festlegung, werden Monolithe in folgender Weise als Elemente des Schalldämpfers behandelt, die gemäß der vorliegenden Erfindung gestaltet und dimensioniert werden:

– Wenn der effektive Vorderflächen-Prozentsatz des in einer Kammer plazierten Monolithen größer als etwa 50% ist, wird die Porosität des Monolithen als eine Erweiterung des Kammervolumens betrachtet.
– Wenn der effektive Vorderflächen-Prozentsatz des Monolithen kleiner als etwa 50% ist, wird der Monolith als ein Verbindungsdurchgang betrachtet, mit einer effektiven Querschnittsfläche etwa glich der Summe der Querschnittsflächen aller Kanäle innerhalb des Monolithen.
– Bei der Annahme der Definition der ζ_j'-Werte gemäß Gleichung 1) wird der Druckverlust zwischen Eingang und Ausgang des Monolithen dem Druckverlust des Schalldämpfers ohne Monolithen hinzuaddiert, d. h. ein Schalldämpfer mit gleichen Abmessungen und gleicher Geometrie, jedoch ohne den Monolithen.

Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist für die Montage in einem Gasströmungs-System eingerichtet, z. B. im Auspuffsystem eines Fahrzeugs mit internem Hubkolbenmotor und/oder einer Turbomaschine, oder diese Vorrichtungen können eingerichtet werden für die Montage im Auspuffsystem einer stationären Generatoranlage, die einen internen Hubkolbenmotor und/oder eine Turbomaschine aufweist. Das oben erwähnte Fahrzeug kann ein beliebiges Fahrzeug sein, zum Beispiel ein Lastwagen mit Dieselmotor, ein Omnibus, ein Automobil, eine Eisenbahn-Lokomotive, eine mit Benzin-, Vergaserkraftstoff- oder Gasmotor angetriebener Lastwagen, Automobil oder eine beliebige sonstige, mit einem Motor angetriebene, bewegliche Vorrichtung. Das Fahrzeug kann auch ein beliebiges Schiff oder Boot mit einer Verbrennungsmotor-Vorrichtung sein. Die stationäre Generatoranlage kann ein Kraftwerk sein mit einer oder mehreren Gasturbinen mit Gasströmung, die vom geeigneten Verbrennungsmittel stammt, wie zum Beispiel einem oder Mehrere Kessel, Kraftstoffmotoren oder sonstige Verbrennungsmittel.
Ein Hauptvorteil einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine signifikante Verminderung des Druckverlusts zwischen Eingang und Ausgang der Vorrichtung, verglichen mit bekannten Vorrichtungen. Die Verminderung des Druckverlusts zwischen Eingang und Ausgang der Vorrichtung vermindert den Kraftstoffverbrauch der Verbrennungsvorrichtung und erhöht die von der Verbrennungsvorrichtung erzeugte elektrische Energie bei einem bestimmten Kraftstoffverbrauch. Der Druckverlust kann ausgedrückt werden mit dem dimensionslosen Parameter ζ, der definiert ist als Quotient des Druckverlustes zwischen Eingang und Ausgang der Vorrichtung, und dem dynamischen Druck an einer geeigneten Stelle in oder neben der Vorrichtung, d. h.:
wobei:

Δp: der Druckverlust zwischen Eingang und Ausgang der Vorrichtung ist,
ρ: die Dichte des Gases am geeigneten Ort ist, und
u: eine Strömungsgeschwindigkeit des Gases am geeigneten Ort ist, vorzugsweise die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Gases.

Ein geeigneter Ort wäre, zum Beispiel, das Eingangsrohr, das Ausgangsrohr, ein Ort stromaufwärts von Eingangsrohr, ein Ort stromabwärts vom Ausgangsrohr, oder eine beliebige Position in der Vorrichtung, an welcher die Strömungsgeschwindigkeit der Gas-Strömungsgeschwindigkeit entspricht, die von der Verbrennungs-Vorrichtung stammt. An Hand des folgenden Beispiels wird gezeigt, daß die Erfindung eine Vorrichtung zur Schalldämpfung an einer Gasströmung erbringt, wobei die Vorrichtung einen wesentlich niedrigeren ζ-Wert aufweist.
In dem meisten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird ζ weniger als 10 sein. Typische Werte liegen zwischen 0,5 und 4.
Der Druckverlust zwischen Eingang und Ausgang eines Schalldämpfers vom gegebenem Typ ist typisch annähernd proportional zur Anzahl der Kammern. Für die Analyse von Druckverlusten ist es deshalb zweckmäßig, die Aufmerksamkeit auf den ζ-Wert pro Kammer, ζ', zu richten, der wir folgt definiert ist:
wobei:

– p₁ der statische Druck an einer geeigneten Stelle des/der Kammer-Eingangsdurchgang/Eingangsdurchgänge ist,
– p₂ der statische Druck an einer geeigneten Stelle im/in den Kammer-Ausgangsdurchgang/Ausgangsdurchgängen ist, und
– Δp_m der statische Druckverlust zwischen Eingang und Ausgang eines Monolithen ist, der als Option in der Kammer untergebracht ist,
– v₂ die mittlere Strömungsgeschwindigkeit im Ausgangsdurchgang (s) ist.

Die geeignete Stelle liegt zum Beispiel in der Mitte zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Durchgangs, wenn es sich um einen Durchgang handelt, der zwei Kammern verbindet; er liegt im wesentlichen unmittelbar stromaufwärts von der ersten Kammer, wenn es sich um einen Eingangsdurchgang in den Schalldämpfer handelt (soweit sich der Eingangsdurchgang nicht in den Schalldämpfer hinein erstreckt und eine Abnahme der Querschnittsfläche für die Gasströmung aufweist; in diesem Fall ist p₁ der gemessene statische Druck am Punkt, der am weitesten stromaufwärts liegt, wo die mittlere Strömungsgeschwindigkeit ihr Maximum erreicht, oder im wesentlichen unmittelbar stromabwärts von der letzten Kammer im Fall eines Ausgangsdurchgangs des Schalldämpfers.
Ein Grund für die Subtraktion des Druckverlustes zwischen Eingang und Ausgang eines möglicherweise vorhandenen Monolithens ist, daß ein solches Element normalerweise nur wenig zur Abschwächung des niederfrequenten Schalls beiträgt, jedoch erheblich zum Druckverlust zusätzlich zum Druckverlust der Kammer selbst beiträgt. Vorausgesetzt, daß der Monolith in geeigneter Weise eingefügt wird, kann der Druckverlust zwischen Eingang und Ausgang einer Schalldämpferkammer mit darin untergebrachtem Monolith angegeben werden als Summe des Druckverlusts zwischen Eingang und Ausgang des Monolithens und des Druckverlusts zwischen Eingang und Ausgang der Kammer, wenn sich darin kein Monolith befindet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt ξ' unter 1,5. In weiteren Ausführungsformen liegt es unter 1,0 oder unter 0,5 oder sogar niedriger als Null. Negative Werte können erzielt werden, wenn der Kammer-Eingangsdurchgang mit einem Diffusor ausgerüstet wird und die Strömungsquerschnittsfläche eines Ausgangsdurchgangs wesentlich größer als die Strömungsquerschnittsfläche eines Eingangsdurchgangs ist, so daß der Kammerdruckverlust gegen einen ziemlich kleinen, im Ausgangsdurchgang herrschenden dynamischen Druck bewertet wird. In den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung liegt der Wert von ξ' meistens unterhalb von 1,0, wenn die Strömungsquerschnittsflächen der Durchgänge gleich oder fast gleich sind.
Die Verbrennungsvorrichtung/das Verbrennungsmittel in diesem Zusammenhang kann ein Verbrennungsmotor sein, beispielsweise ein Diesel-, Benzin-, Vergaserkraftstoff- oder Gasmotor, z. B. ein Zwei- oder Viertaktkolbenmotor, ein enthaltener Wankelmotor, eine mit einem Kessel verbundene Gasturbine, oder eine beliebige sonstige geeignete Verbrennungs- oder Energieextraktions-Vorrichtung, z. B. das Verbrennungssystem einer Generatoranlage, wie ein Kraftwerk.
Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann vorzugsweise zur Schalldämpfung einer Gasströmung, die von einem Verbrennungsmittel stammt, eingesetzt werden, wobei

– die Vorrichtung als Typ einen ersten Behälter mit einem oder mehreren Abteil(en) aufweist, wobei jedes Abteil einen oder mehrere Eingangsdurchgänge sowie einen oder mehrere Ausgangsdurchgänge, und wenigstens einen Diffusor aufweist, der mit einem oder mehreren Eingangsdurchgängen und/oder mit einem oder mehreren Ausgangsdurchgängen assoziiert ist.
– Die Gasströmung wird in den einen oder in die mehreren Eingangsdurchgänge hineingeleitet sowie aus dem einen oder aus den mehreren Ausgangsdurchgängen herausgeleitet, und wenigstens teilweise durch den wenigstens einen Diffusor geführt.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und/oder einer Turbomaschine mit einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ausgerüstet, wobei die Vorrichtung im Auspuffsystem des Fahrzeugs enthalten ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem eine stationäre Kraftwerkanlage mit einem Verbrennungsmotor und/oder mit einer Turbomaschine sowie mit einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die Vorrichtung im Auspuffsystem der Kraftwerkanlage liegt.
Im folgenden Text werden Ausführungsformen der Schalldämpfer-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung und das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung für die Gestaltung und/oder Dimensionierung einer Schalldämpfer-Vorrichtung an Hand der Figuren erläutert, unter welchen
1 eine repräsentative Graphik der Schalldämpferleistung verglichen mit dem nicht abgeschwächten Spektrum der Lärmquelle zeigt,
2 eine repräsentative Graphik zeigt, als Beispiel eines Infraschall-Lärmspektrums, dargestellt in linearer Form (ungewichtet) bzw. mit sogenannter A-Gewichtung,
3 ein Längsschnitt eines etwas verallgemeinerten Schalldämpfers ist, der als Beispiel für die Schlüsselvariablen dient, die zum Verständnis eines aufgewickelten, spiralförmigen oder gekrümmten Durchgangs erforderlich sind, sowie für den manchmal kritischen Abstand zwischen einem Kammereingang und einem Kammerausgang,
4 Querschnitte einer interessanten Ausführungsform einer Zweikammer-Schalldämpfervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, mit einem spiralförmigen Verbindungsdurchgang zwischen den Kammern,
5 eine interessante kompakte Ausführungsform einer Zweikammer-Schalldämpfervorrichtung zeigt, die nicht gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist, mit einem spiralförmigen Verbindungsdurchgang zwischen den Kammern und mit einem darin untergebrachten Monolithen, z. B. ein Katalysator,
6 zwei Beispiele von Resonatoren zeigt, die einem Hauptschalldämpfer gemäß der vorliegenden Erfindung hinzugefügt wurden, und
7 diverse Prinzipien der gekrümmten/spiralförmigen Formen und Ausführungsformen zeigt, wobei die 7b, 7d, 7e und 7h nicht gemäß der Erfindung ausgeführt sind.
In 1 zeigt S1 das Spektrum einer ungedämpften Lärmquelle, z. B. nach Unterwerfung der sogenannten A-Gewichtung, während S2 das Spektrum der von einem Schalldämpfer bewirkten Abschwächung zeigt (die von S1 subtrahiert werden muß, um das sich ergebende, abgeschwächte Spektrum zu erhalten). Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Schalldämpfer vorzugsweise so gestaltet, daß die niedrigste natürliche Frequenz f_e für die Durchgänge des Schalldämpfers niedriger als die charakteristische Frequenz, f_char, der nicht abgeschwächten Lärmquelle ist. In den meisten Fällen ist f_char die Frequenz, bei welcher das A-gewichtete Spektrum sein Maximum P1 aufweist, wobei P2 ein Nebenpeak ist. Die A-Gewichtung wird gewöhnlich angewendet, um die frequenzabhängige Empfindlichkeit des menschlichen Ohrs zu berücksichtigen. Die meisten Lärmpegelnormen basieren auf db(A).
Manchmal kann man feststellen, daß die A-Gewichtung eine übertriebene Abschwächung niedriger Frequenzen darstellt. Ein wichtiges Beispiel dafür ist der Fall, wenn der einzuhaltende Lärmgrenzwert an einer Stelle in einem Gebäude mit einem Abstand von der Lärmquelle gelten soll. In solchen Fällen ist der Schall sowohl durch den Abstand sowie durch die isolierende Wirkung der Wände, Fenster usw. abgeschwächt, so daß die A-Gewichtung die niedrigen Frequenzen (die in dieser Situation nicht besonders stark abgeschwächt werden) unterbewertet. Dann kann es angebrachter sein, statt dessen die dB(C)-Gewichtung für die nicht abgeschwächte Lärmquelle zu verwenden.
In jüngsten Jahren ist eine zunehmende Beunruhigung bezüglich der möglichen Beeinträchtigung von Menschen durch Infraschall entstanden, d. h. Schall mit Frequenzen unterhalb der Hörgrenze, etwa unterhalb von 20 Hz. Obwohl diese Frage umstritten ist, vermehren sich die medizinischen Indikationen, daß die Störeffekte real sein könnten und nicht nur von überängstlichen Personen eingebildet werden. Es wurden Entwürfe aufgestellt, wie Infraschall in der Praxis zu bewerten ist, jedoch gibt es noch keine allgemein anerkannten Standards.
Da die vorliegende Erfindung besonders effiziente Schalldämpfer für starke Abschwächung niedriger Frequenzen im Gasströmungslärm ergibt, weist sie ein interessantes Potential für die Bekämpfung von Infraschall auf. 2 zeigt, als erster Vorschlag, wie man das einfache lineare Spektrum, d. h. das nicht abgeschwächte Spektrum ohne Gewichtung SL benutzen kann, um eine realistische Beurteilung des Infraschallbeitrags mit Peakmaximum PL gewinnen kann, der im Infraschall-Frequenzbereich liegt. Bei der Umstellung von der A-Gewichtung (die Infraschall unterdrückt), verschiebt sich das Peakmaximum von PA im hörbaren Frequenzbereich zum Peak PL, der im niedrigeren Frequenzbereich (Infraschall) liegt. Gleich für welche Gewichtung für Infraschall man sich schließlich gemeinsam entscheidet, kann irgendeine charakteristische Frequenz etabliert werden als Eingabe für das Gestaltungs- und Dimensionierungs-Verfahren der vorliegenden Erfindung.
Allgemein gilt, daß die Erweiterung des Dämpfungs-Frequenzbereichs in den Infraschall-Frequenzbereich größere Kammern und längere Verbindungsdurchgänge erfordert. Wie bei Schalldämpfern für herkömmlichen hörbaren Schall alleine, bieten die verschiedenen Maßnahmen der vorliegenden Erfindung auch für die Infraschall-Dämpfung einen besseren Ausgleich zwischen Dämpfungsgrad, Druckabfall und Platzbedarf für den Schalldämpfer, verglichen mit dem Stand der Technik.
Abhängig von den jeweiligen Umständen können diverse Kombinationen der Parameter als Grundlage für die Gestaltung und Dimensionierung eines Schalldämpfers dienen.
Die Durchgänge zwischen den Kammern werden mit verschiedenen Maßnahmen, alleine oder in Kombination, verlängert. Die Rohre können rückwärts in die stromaufwärts liegende Kammer und vorwärts in die stromabwärts liegende Kammer verlängert werden, oder die Rohre können verlängert werden, indem man sie spiralförmig gestaltet. Wenn die Rohre alleine oder kombiniert mit einem Diffusor sowohl stromaufwärts und stromabwärts verlängert werden, kann der Ausgang des stromaufwärts liegenden Rohrs in einer Kammer stromabwärts vom Eingang des Stromabwärtsrohrs liegen, und somit wird die Richtung des Hauptstroms zweimal in der betreffenden Kammer umgekehrt. Ein Diffusor mit regenschirm-ähnlicher Form, wobei die konvexe Oberfläche davon stromabwärts weist, bewirkt ebenfalls eine Verlängerung des Durchgangs und eine Umkehrung der Strömungsrichtung. Diverse Typen und Formen von Leitblechen, Führungsplatten und Körpern können ebenfalls verwendet werden.
Alle Eingänge der Durchgänge müssen in geeigneter Weise gerundet werden, um Konstriktionen der Strömung mit Wirbelbildung zu vermeiden, da diese zu Druckverlust und Lärm führen, der möglicherweise durch Resonanz im Durchgang verstärkt werden würde.
Die Ausgänge der Diffusoren sollten möglichst in der Mitte der Längsrichtung der Kammer relativ zur Hauptströmungsrichtung und/oder am Druckknoten einer transversalen Schwingung in der Kammer angeordnet werden. Dies unterdrückt die Grundresonanz der Kammer in den beiden Richtungen.
Die Anordnung von etwaigem schallabsorbierendem Material im Schalldämpfer ist wichtig. Insbesondere in großen Schalldämpfern sollte es nicht zu dick oder kompakt sein, um das akustische Volumen der Kammern nicht zu verkleinern.
Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beruhen auf der Ergänzung der in Reihe verbundenen akustischen Filter mit einer oder mehreren Seitenzweigkammern, die als Resonatoren funktionieren und in manchen Fällen mit eingebautem schallabsorbierendem Material ausgerüstet werden.
Schalldämpfer, die ausschließlich auf Resonatoren beruhen, sind für sich gemäß dem Stand der Technik wohlbekannt. Ein Resonator kann eine erhebliche Dämpfung um eine gewählte Mittenfrequenz bewirken, die von den Abmessungen der Vorrichtung bestimmt wird. Eine einzige Resonatorkammer kann jedoch nicht die Breitbanddämpfung bewirken, die mit den Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung erzielt wird. Im Prinzip könnte dieser Mangel mit vielen Resonatoren mit verschiedenen Mittenfrequenzen kompensiert werden, jedoch werden Schalldämpfer mit solcher Konfiguration sehr groß. Eine günstige Eigenschaft von Resonatoren ist, daß sie wenig Druckverlust verursachen, da die Gasströmung nicht durch sie läuft.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Resonatoren nur als Ergänzungen eingesetzt, um bessere Dämpfung bei und um selektierte Frequenzen zu erzielen, die zusätzliche Dämpfung erfordern könnten, nachdem mit der Reihenverbindung akustischer Filter gemäß der Hauptgrundlagen der vorliegenden Erfindung bereits eine gute Schalldämpfung erzielt worden ist.
Als ein Beispiel, kann das ungedämpfte Schallspektrum eines Motorauspuffs, wie zuvor beschrieben, einen Hauptpeak bei der Zündfrequenz aufweisen, der effizient mit dem Hauptverfahren der vorliegenden Erfindung gedämpft werden kann. Jedoch kann auch ein kleinerer Peak bei der doppelten Frequenz vorhanden sein, der mit einem über einen Seitenzweig angeschlossenen Resonator gedämpft werden kann.
In manchen Fällen kann eine Kombination der geometrischen Einschränkungen für die Schalldämpfer-Anordnung so beschaffen sein, daß das Hinzufügen eines Resonators gemäß der vorliegenden Erfindung eine gute wirtschaftliche Lösung darstellt, sowohl bezüglich des verfügbaren Platzes wie auch bezüglich des Druckverlustes im Auspuff. Zum Beispiel kann die Forderung gegeben sein, daß ein Auspuffendrohr 3, welches Gas von einem Schalldämpfer abführt, mit einem bestimmten Abstand von einer Wand WD, wie in 6a dargestellt, angeordnet werden muß. Ein Resonator 4 ist hier dargestellt als Anhang zu einem Hauptschalldämpfer 1, d. h. als separater Behälter, der mit der letzten Kammer 2 des Hauptschalldämpfers 1 über ein Verbindungsrohr 5 verbunden ist.
Der Resonator kann eine leere Kammer sein, oder er kann einen beweglichen Kolben 6 enthalten, wie in 6a dargestellt ist. Im ersten Fall wird die Mittenfrequenz des Resonators fest sein. Im zweiten Fall kann die Mittenfrequenz frei innerhalb eines Einstellbereichs gewählt werden, indem der Kolben bewegt wird, so daß das Dampfungsspektrum damit optimiert werden kann. Diese Möglichkeit kann nützlich sein, wenn das genaue Schallspektrum des Motors noch nicht bekannt ist, wie in der Praxis öfters der Fall ist, wenn Motoren und Schalldämpfer von verschiedenen Herstellern stammen.
6b zeigt eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in welcher der Resonator als direkte Erweiterung der letzten Kammer des Hauptschalldämpfers gestaltet wurde. In diesem Fall wurde schallabsorbierendes Material Ba (z. B. basaltische Mineralwolle) im Resonator eingefügt.
Die Theorie der Resonatoren ist in der Akustik wohlbekannt und wird deshalb hier nicht ausführlich beschrieben, abgesehen von einigen Haupteigenschaften als Leitfaden für die Anwendung von Resonatoren gemäß der vorliegenden Erfindung: Wenn der Resonator mit dem Hauptschalldämpfer über ein Rohr verbunden ist, wie in 6a, wird der Peak im hinzugefügten Dämpfungsspektrum enger und schärfer sein verglichen mit einer Konfiguration, in welcher eine direkte Verbindung ohne 'Hals' existiert, wie in 6b. Im ersten Fall wird die Mittenfrequenz als sogenannte, in der Akustik wohlbekannte Helmholz-Frequenz bestimmt. Bei der Berechnung dieser Frequenz muß die akustische 'Steifigkeit' der letzten Kammer des Hauptschalldämpfers zur akustischen Steifigkeit der Resonatorkammer hinzuaddiert werden. Damit liegt die sich ergebende Helmholz-Frequenz höher als durch den Resonator alleine bestimmt. Akustische Wellenerscheinungen innerhalb der Resonanzkammer beeinflussen die Helmholz-Frequenz ebenfalls und müssen deshalb in einer genauen Berechnung berücksichtigt werden. Die Mittenfrequenz eines Resonators ohne Verbindungsrohr ist ungefähr gleich der Frequenz, bei welcher eine Viertelwellenlänge der ganzen Länge der Kammer entspricht.
Die 4a bis 4e zeigen eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in welcher ein spiralförmiger Durchgang 12 zwei Kammern 1 und 2 verbindet, die in einem zylindrischen Gehäuse 7 untergebracht und mit einer inneren flachen Trennwand 8 voneinander getrennt sind. Der spiralförmige Durchgang wird vom Gehäuse 7, von einem inneren Zylinder 42 und von spiralförmigen Blechen 60 und 61 begrenzt. Der spiralförmige Durchgang 12 ist unterteilt in ein Teil 12b mit konstanter Strömung und einen Diffuserteil 12c, in welchem der Strömungsquerschnitt in der Gasströmungsrichtung allmählich größer wird, wobei dies durch allmähliche Zunahme des Abstands zwischen den Blechen 60 und 61 bewirkt wird.
Beide Kammern 1 und 2 sind teilweise mit schallabsorbierendem Material Ba gefüllt, welches hinter Lochplatten 41 und 43 enthalten ist. Diese Platten wurden so geformt und positioniert, daß sie zusammen mit dem Absorptionsmaterial helfen, die Gasströmung in den Kammern 1 und 2 mit niedrigem Druckverlust zu führen und dabei unerwünschte Verwirbelung in den Kammern zu verhindern.
Der Gasstrom wird dem Schalldämpfer über das Eingangsrohr 6 und dem kegelförmigen Diffusor 10 zugeführt, der dynamischen Druck zurückgewinnt und weiterhin hilft, unerwünschte Verwirbelung in der Kammer 1 zu verhindern, indem er die Einströmungsgeschwindigkeit in die Kammer vermindert. Hier dreht sich die Strömung generell um 90 Grad bevor sie in den spiralförmigen Verbindungsdurchgang 12 bei 12a eintritt. Hier wurde ein zylindrischer Stab 21 am inneren Zylinder 42 angebracht, um die Strömungsbedingungen am Eingang zu verbessern, indem Konstriktionseffekte und Eingangsdruckverluste damit verhindert werden. Im Durchgang 12 läuft die Strömung zuerst durch den Bereich 12b mit konstanter Strömungs-Querschnittsfläche, und dann läuft sie durch den Diffusorteil 12c, in welchem dynamischer Druck zurückgewonnen wird. Die Strömung verläßt den Durchgang 12 am Ausgang 12d, wo sie in die Kammer 2 eintritt. In dieser zweiten Kammer dreht sich die allgemeine Strömungsrichtung um 90 Grad, sowohl in der Ebene AA wie auch in der Ebene CC, bevor sie in das Ausgangsrohr 4 einmündet.
Vom Strömungseingang 12a bis zum Strömungsausgang 12d des spiralförmigen Durchgangs 12 wendet sich die Strömung um insgesamt 360 Grad innerhalb des Schaldämpfergehäuses. Somit beträgt die Länge des Durchgangs etwa da ds π-fache des Gehäusedurchmessers, wobei dies zu einer sehr niedrigen akustischen natürlichen Frequenz f_e beiträgt, die vom Durchgang 12 und von den Kammern 1 und 2 bestimmt ist. In 4 ist die Länge des Gehäuses 7 nur geringfügig größer als der Durchmesser. Somit demonstriert diese Ausführungsform, wie mit einem spiralförmigem Durchgang zwischen den Kammern gemäß der vorliegenden Erfindung es möglich geworden ist, eine viel niedrigere natürliche Frequenz als mit einem geraden Durchgang zu erzielen.
Beispiele besonders relevanter Anwendungen der Ausführungsform von 4 sind Schalldämpfer für Omnibusse und Lastwagen, an welchen Platz vorhanden ist für ein ziemlich großes Schalldämpfervolumen in Form von einem Gehäuse mit ziemlich großem Durchmesser, aber kurzer Länge. Obwohl die Gasströmung im Gehäuse ihre Richtung ändert, ist der damit verbundene Druckverlust erstaunlich klein. Obwohl die Ausführungsform echt dreidimensional ist, bleibt das im wesentlichen eindimensionale Dimensionierungsverfahren für die Erfindung anwendbar. Natürlich sollte eine genaue Beschreibung der Gasströmung und der akustischen Eigenschaften des Schalldämpfers dreidimensional sein. Dies ist jedoch auch so in Schalldämpfern, in welchen das akustische Feld und das Strömungsfeld im wesentlichen zweidimensional sind. Es muß auch darauf hingewiesen werden, daß trotz des dreidimensionalen Strömungsweges durch die Ausführungsform gemäß 4, die Herstellung mit ziemlich einfachen Elementen und mit einfachen Verfahren, wie Blechpressen, Blechrollen, Blechschweißen usw. gelingt.
Viele Schalldämpfertypen mit spiralförmigen Strömungswegen im Gehäuse sind gemäß dem Stand der Technik bekannt. Jedoch in den bekannten Schalldämpfer-Ausführungsformen entstand der Bedarf für spiralförmige Strömungswege aus Gründen, die anders als die der vorliegenden Erfindung sind. Zum Beispiel wurde sehr effiziente Schallabsorption mit spiralförmigen Kanälen erzielt, die aus perforierten Zylindern in Berührung mit dem absorbierenden Material hergestellt wurden. Ein weiterer Grund für die Verwendung spiralförmiger Strömung in Schalldämpfern war, damit einen Funkenlöscheffekt zu erzielen, indem die Verweildauer der Auspuffgase im Schalldämpfer damit verlängert wurde.
Die spiralförmige Konfiguration in der vorliegenden Erfindung bietet dem Ingenieur die Möglichkeit, die Länge des Verbindungsdurchgangs 12 sehr freizügig zu wählen und diese Länge gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung zu optimieren. Somit, wenn eine sehr niedrige natürliche Frequenz erwünscht ist, wird es in manchen Fällen vorteilhaft sein, sogar wesentlich mehr als 360 Grad Strömungswendung innerhalb des Durchgangs zu wählen. Ein Beispiel dafür könnte eine Lastwagenanwendung sein, wobei es erwünscht ist, den erzeugten Infraschall zu dämpfen, der entsteht, wenn der Motor langsam läuft beim Start oder während der Fahrt unter schwerer Last. Infraschalldämpfung ist außerdem für Gasturbinen-Kraftwerke relevant. In anderen Fällen kann weniger als 360 Grad Strömungswendung im spiralförmigen Durchgang sinnvoll sein, beispielsweise im Fall höherer Zündfrequenzen der Motoren, sowie wenn es unbedingt erforderlich ist, keine zu niedrigen Resonanzfrequenzen des spiralförmigen Durchgangs zu erzeugen.
Der Fachingenieur für die Gestaltung von Schalldämpfern wird selbstverständlich erkennen, daß die mit der in 4 gezeigten Ausführungsform bezweckten Ziele mittels vieler Variationen in der Gestaltungskonfiguration erreicht werden können. Zum Beispiel kann die Strömungserweiterung des Diffusors 12c erzielt werden, indem der Durchmesser des inneren Zylinders 42 variiert wird. Ein spiralförmiger Durchgang kann in einem würfelförmigem Gehäuse, statt in einem zylindrischem Gehäuse, untergebracht werden. Die Wand 8, die die Kammer 1 von der Kammer 2 trennt, kann ein Zylinder sein, und die Kammer 2 kann so gestaltet werden, daß sie im wesentlichen außerhalb von der Kammer 1 liegt, wobei diese Anordnung günstig aus der Sicht der Schallemission von der Schale ist, da der Schallpegel innerhalb der Kammer 1 höher ist als in der stromabwärts liegenden Kammer 2.
Die 5a und 5b zeigen eine Ausführungsform, in welcher ein Monolith, beispielsweise ein Katalysator, in einem zweidimensionalem Schalldämpfer eingebaut ist, der einen spiralförmigen Verbindungsdurchgang zwischen den beiden Kammern aufweist. Die erste Kammer 1 ist ein flaches, zylinderähnliches Volumen am oberen Ende des Schalldämpfers. Die zweite Kammer ist in zwei Teile 2a und 2b unterteilt, wobei das trennende Element ein ringförmiger Monolith 100 ist. Schallabsorbierendes Material Ba ist in einem zentralen Zylinder 42 enthalten, mit einer perforierten oberen Platte 41 und einer massiven unteren Platte 8. Der spiralförmige Durchgang 12 ist begrenzt mit dem zylindrischem Gehäuse 7 des Schalldämpfers, mit dem oberen Teil des Zylinders 42 und mit zwei spiralförmigen Blechen 60 und 61. Normalerweise weist ein Katalysator-Monolith ziemlich dünne Wände auf, in welchem Fall er nur in sehr beschränktem Umfang eine akustische Unterteilung der zweiten Kammer des Schalldämpfers bewirkt. Somit stellen aus akustischer Sicht die Teilkammer 2a, die Teilkammer 2b und der Gasteil (die Porositäten) des Monolithen 100 zusammen eine einzige Schalldämpferkammer dar. Diese zweite Kammer ist von der ersten Kammer getrennt mittels der Platte 8, mittels des Zylinders 42 und mittels der Wände des spiralförmigen Durchgangs 12, d. h. der Schall kann sich nur über den Durchgang 12 von der ersten Kammer zur zweiten Kammer fortpflanzen.
Gas tritt in die Kammer 1 aus dem Eingangsrohr 6 und dem Diffusor 10 ein, die Strömung dreht sich dann um etwa 180 Grad um die Achse des Schalldämpfers, bevor sie in den spiralförmigen Durchgang 12 an seinem Eingang 12a eintritt. An diesem Eingang wurde ein zylindrischer Stab 21 am spiralförmigem Blech 60 angebracht, um Konstriktionseffekte für die Strömung am Eingang zu vermeiden.
Innerhalb des spiralförmigen Durchgangs dreht sich die Gasströmung um etwas mehr als 360 Grad um die Schalldämpferachse, wobei die Strömung gleichzeitig etwas nach unten läuft, bevor sie den Durchgang bei 12d verläßt und in die Kammer 2a übergeht. Hier wird die Strömung um die ringförmige Eingangsfläche zum Monolithen verteilt, wobei sie gleichzeitig unter der Wirkung der axialen Strömungskanäle im Monolithen ihre Richtung von tangential zu axial ändert. Nach dem Verlassen des Monolithen wechselt die axiale Strömung in der Kammer 2b zu einer tangentialen Strömung zurück, und aus der Kammer 2b verläßt die Strömung den Schalldämpfer über das Rohr 4.
Die 7a bis 7j zeigen einige Variationen aufgewickelter und spiralförmiger Durchgänge und Ausführungsformen mit spiralförmigen Durchgängen als Sonderfälle gekrümmter Durchgänge.
7a zeigt einen Querschnitt eines zylindrischen Schalldämpfers mit Endrohr, welches einen aufgewickelten oder spiralförmigen Teil und einen kurzen geraden Teil aufweist. Der aufgewickelte/spiralförmige Teil ist um das zylindrische Gehäuse gewickelt.
7b zeigt eine schraubenartige spiralförmige Generatrixform eines Durchgangs.
7c zeigt eine ebene spiralförmige Generatrixform eines Durchgangs.
7d zeigt beispielsweise eine kegelförmige schraubenartige Generatrixform für einen Durchgang, in welchem sich der Windungsradius in der Längsrichtung ändert.
7e zeigt eine Windungsgeneratrixform für einen Durchgang, wobei sich der Stromaufwärtsteil in einer Richtung und der Stromabwärtsteil in der anderen Richtung erstreckt. Diese Kombination kann nützlich sein für einen Durchgang in einem Schalldämpfer, in welchem der Eingangsdurchgang und der Ausgangsdurchgang des Schalldämpfers sich am gleichen Ende des Gehäuses befinden.
7f und 7g sind Skizzen einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in welcher eine erste Kammer innerhalb einer zweiten Kammer enthalten ist, wobei der Generatrix des Verbindungsdurchgangs eine ebene Spirale ist. In dieser Figur ist der Querschnitt des Durchgangs ziemlich breit. Als Alternative kann der Querschnitt des Durchgangs (der Fläche a) viel enger gestaltet werden, in Abhängigkeit vom gewünschten Querschnitts-Flächenverhältnis A/a.
7h zeigt zwei parallele schraubenartige spiralförmige Generatrixformen, die verwendet werden können für einen spiralförmigen Durchgang, der in zwei parallel verlaufende Durchgangsabschnitte unterteilt ist.
7i zeigt, wie eine gekrümmte Durchgangsform eingesetzt werden kann, sowohl um einen verlängerten Durchgang zu erzielen wie auch zum Ändern der Strömungsrichtung innerhalb einer Kammer. Dieses Prinzip kann beispielsweise mit einer Unterteilung in zwei oder mehrere parallel verlaufende Durchgänge (wie oben illustriert) kombiniert werden, wenn ein Eingangsdurchgang seitlich an einem Schalldämpfergehäuse mit ziemlich kleinem Durchmesser angeordnet ist. In dieser Weise können große Druckverluste und Turbulenzen in der ersten Kammer vermieden werden.
7j ist eine Detaildarstellung einer Ausführungsform, die eine Variation der in 9 dargestellten Ausführungsform ist. Zusätzlich zum spiralförmigen Ausgangsdurchgang 12d wurde in 7j ein sekundärer Ausgang 12d' hinzugefügt. Somit verläßt ein Teil der Strömung den Durchgang durch 12d und der Rest durch 12d'. Beide Strömungsteile verlassen den Durchgang in tangentialer Richtung innerhalb des ringförmigen Abstands oberhalb vom Monolithen 100. Mit dem hinzugefügten Ausgang 12d' kann die Strömungsverteilung zur Stirnfläche des Monolithen verbessert werden. Eine weitere diesbezügliche Verbesserung ist erzielbar, indem weitere Ausgänge dem Durchgang hinzugefügt werden.
Wie in der vorigen Ausführungsform, demonstriert diese Ausführungsform, wie ein spiralförmiger Durchgang verwendet werden kann, um einen langen Durchgang zwischen zwei Kammern eines ziemlich kurzen zylindrischen Schalldämpfers einzubauen. Die tangentiale Ausgangsströmung an 12d sorgt für eine sehr gleichmäßige Strömungsverteilung an die vielen parallelen Kanäle des Monolithen. Obwohl die gesamte Richtungsänderung der Strömung innerhalb der Vorrichtung beträchtlich ist, ist der Druckverlust ziemlich klein. Diese Vorrichtung ist ein sehr kompakter, strömungsgünstiger Schalldämpfer, in welchem es möglich wurde, einen Monolithen mit beachtlichem Volumen einzubauen.
Die Grundlagen der vorliegenden Erfindung ermöglichen es dem Ingenieur, viele Formen der Kammern und Verbindungsdurchgänge einzusetzen, um eine effiziente Dämpfung aller Schallfrequenzen zu erzielen, und insbesondere sind damit dem Ingenieur die Werkzeuge gegeben, um niedrige Frequenzen ausreichend zu dämpfen, auch wenn der verfügbare Platz eng ist. Die Konfiguration des Auspuffsystems kann beispielsweise von einem Lastwagen- oder Omnibusmodell zu einem anderen Modell sehr unterschiedlich sein. In manchen Fällen muß der Schalldämpfer einen relativ kleinen Außendurchmesser aufweisen, darf aber ziemlich lang sein. Umgekehrt in anderen Fällen darf der Schalldämpfer einen relativ großen Außendurchmesser aufweisen, seine Länge ist jedoch beschränkt. In manchen Fällen müssen die Rohre, die die Auspuffgase in den Schalldämpfer leiten und von ihm wieder hinausleiten, an entgegengesetzten Enden und in anderen Fällen am gleichen Ende des Schalldämpfers angeordnet sein, und manchmal müssen sie auf einer Linie mit dem Schalldämpfer, in anderen Fällen unter einem Winkel zu dieser Linie liegen.
In vielen Fällen müssen Schalldämpfer eine zylindrische Form aufweisen, da diese Form einfach hergestellt werden kann. Andere Formen, beispielsweise elliptische, quadratische oder kegelartige Formen, können auch geeignet sein.
Es werden nun einige Gestaltungsrichtlinien besprochen, die dem Ingenieur die Mittel zur Verfügung stellen, um optimale Schalldämpferleistung in Übereinstimmung mit einer breiten Palette geometrischer Bedingungen zu erzielen. Danach werden die allgemeinen Grundlagen mit Beispielen spezifischer Gestaltungsfälle illustriert. Dabei konzentriert sich die Aufmerksamkeit für optimale Gestaltung und Dimensionierung auf zwei Aspekte: Die Kammern und die Verbindungsdurchgänge.
Für die folgenden Erläuterungen wird auf 3 hingewiesen. Hier ist A_p eine Kammerquerschnittsfläche, gemessen im rechten Winkel zum Hauptströmungsweg in der Kammer. D ist der geradlinige Abstand zwischen dem Eingang der Kammer und dem Ausgang der Kammer. s ist eine Koordinate entlang dem Generatrix eines gekrümmten Durchgangs, der zwei Kammern miteinander verbindet. Die Durchgangslänge entlang dem Generatrix ist L. D_d ist der Abstand auf direkter Linie im Raum zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Durchgangs. Offenkundig ist D_d kürzer als L. L₁ und L₂ sind die respektiven Längen der ersten und der zweiten Kammer.
Die Kammern sollten eine ausreichende Größe und eine geeignete Form aufweisen, so daß Schallreflexionen in effektiver Weise an Übergängen der Querschnittsfläche existieren, und größere Verwirbelungen vermieden werden, die sonst einen übermäßigen Druckverlust verursachen und viel Eigenlärm erzeugen würden.
Bei der Betrachtung der Gleichung (2) für sich alleine könnte man zur falschen Schlußfolgerung gelangen, daß es auch mit sehr kleinen Kammern möglich wäre, beliebig niedrige natürliche Frequenzen zu erzielen, wenn der Durchgang beliebig klein gemacht werden kann. Dies stimmt jedoch nicht. Der Grund dafür ist, daß diverse Erscheinungen, die im der Gleichung (2) zugrundeliegenden, einfachen akustischen Filtermodell nicht berücksichtigt sind, den Dämpfungseffekt verzerren. Ein Problem ist, daß kleine Kammern die Schallreflexionen an den Kammereingängen und Kammerausgängen reduzieren oder eliminieren können. Ein anderes Problem ist, daß eine niederfrequente Resonanz in Verbindungsdurchgängen entstehen kann, die die Schalldämpfung bei niedrigen Frequenzen vernichten könnte. Zu kleine Kammern dienen nur als Überleitelemente, die die Gasströmung von einem Durchgang zu einem anderen Durchgang übergeben.
Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung können auch solche kleinen Kammern aufweisen, beispielsweise für den Zweck einer glatten Strömungsumlenkung. Jedoch sollten mindestens eine, und oftmals mehrere Kammern in Schalldämpfern groß genug sein, um als wirksame Elemente in akustischen Filtern zu dienen.
Entsprechend müssen solche Kammern die folgenden zwei Kriterien erfüllen:

(I) Die mittlere Querschnittsfläche A einer Kammer sollte mindestens das vierfache der größten der zwei Querschnittsflächen a₁ bzw. a₂ der Durchgänge, die Gas in die Kammer hinein und aus der Kammer heraus führen, betragen.
(II) Das Kammervolumen sollte mindestens folgende Größe aufweisen:
Sonst können die Kammern viele alternative Formen für unterschiedliche Anwendungen aufweisen.

Bei der Bestimmung von A und V sollte schallabsorbierendes Material als leerer Raum aufgefaßt werden. Der Grund dafür ist, daß solches Material, um als Absorber richtig funktionieren zu können, nicht zu fest gepackt oder sonst wie in einer Weise angeordnet werden darf, die den möglichst ungehinderten eintritt der Schallwellen in das Material verhindern würde. Obwohl das schallabsorbierende Material zum Schutz üblicherweise hinter perforierten Platten angeordnet wird, darf deshalb der Durchlöcherungsgrad nicht zu gering sein.
In den Fällen mit komplizierter Geometrie muß die Querschnittsfläche A der Kammer als Mittelwert entlang dem mittleren Weg der Schallwellen vom Kammereingang zum Kammerausgang interpretiert werden. Normalerweise fällt dieser Weg in etwa mit dem Strömungsweg zusammen.
Als weiterer Leitsatz für die richtige Interpretation von A und V gilt, daß alle Kammerteile, die in voller akustischer Kommunikation mit anderen Teilen der Kammer stehen, berücksichtigt werden müssen. Somit sollten Leitplatten und diverse andere Kammereinbauten, usw. nicht zu einer engen Auffassung von A und V führen, in welcher nur diejenigen Flächen- und Volumenelemente, die direkt auf dem Strömungsweg durch die Kammer 'gesehen' werden, berücksichtigt.
Zusätzlich zu den oben erwähnten Kriterien, kann ein drittes Kriterium hinzugefügt werden, welches, wie unten mit Beispielen in Schalldämpfern gemäß der vorliegenden Erfindung näher erläutert wird, oftmals in wenigstens einer Kammer angewendet wird:

(III) Der Strömungsweg solle innerhalb einer Kammer seine Richtung in signifikanten Umfang ändern.

Typisch kann dies wie folgt quantifiziert werden:

(III') Die Gesamtänderung der Strömungsrichtung vom Kammereingang zum Kammerausgang sollte mindestens 90 Grad betragen.

Dies verhindert, daß die Schallwellen eine Abkürzung durch die Kammer nehmen, da Abkürzungen eine Erscheinung im akustischen Feld sind, die den akustischen Filtereffekt in Abhängigkeit von der Geometrie mehr oder weniger behindern. Signifikante Abkürzungen finden nur statt, wenn der Kammerausgang zu nah beim Kammereingang angeordnet ist und auf der gleichen Strömungslinie wie dieser liegt.
Wenn jedoch der Abstand zwischen dem Eingang und dem Ausgang groß ist, wird der Abkürzungseffekt klein.
Bezüglich der Druckverluste in einem Schalldämpfer ist hat zugegeben die Anwendung des Kriteriums (III) negativer Auswirkung. Wenn die Kammer jedoch ordnungsgemäß aus der Sicht der Gasströmungsdynamik gestaltet ist, bleibt der zusätzlich durch die Strömungsablenkung innerhalb der Kammer bewirkte Druckverlust mäßig und kann an Hand der verbesserten Schalldämpfung gerechtfertigt werden. In der Regel sind mehr Ablenkungen oder Umkehrungen gerechtfertigt, wenn die Schalldämpfer für Motoren vorgesehen sind, die eine nur mäßige Empfindlichkeit gegenüber Staudruck aufweisen. Folglich werden beispielsweise mehr Umkehrungen in den Kammern von Schalldämpfern eingefügt, die für Hubkolbenmotoren vorgesehen sind, als in Schalldämpfern für Gasturbinen.
Manchmal verlangen beengte Platzverhältnisse für Schalldämpfer und Kammern kurze geradlinige Abstände zwischen Eingang und Ausgang einer Kammer. Die genaue Geometrie wird dann größtenteils als ausgewogener Kompromiß zwischen abrupter Wendung (Verhinderung akustischer Abkürzung) und Verhinderung von Strömungsinstabilitäten bestimmt. Für eine gegebene Art der Geometrie kann der Abstand (in Gestaltungsüberlegungen oder in Experimenten) bis herab zu einer gewissen Schwelle verkürzt werden, unterhalb welcher aus mäßigen Turbulenzen recht schnell eine wesentliche Strömungsinstabilität mit großen Strudeln sowie Strömungsaufspaltung usw. wird.
Daraus ergibt sich ein weiteres zwingendes Kriterium für die Kammern:

(IV) Für eine Kammer, die dem Kriterium (III) und/oder dem Kriterium (III') entspricht, und für welche die Gesamtgestaltung des Schalldämpfers einen möglichst kleinen geradlinigen Abstand D zwischen Kammereingang und Kammerausgang verlangt, sollte D mit dem Wert gewählt werden, unter welchem eine Strömungsinstabilität in der Kammer entsteht, zuzüglich einer vernünftigen Sicherheitsspanne, die normalerweise im Bereich von 10 bis 50 Prozent des geradlinigen Abstands angesetzt werden kann.

Die Sicherheitsspanne berücksichtigt Schwankungen, die durch diverse, schwer zu kontrollierende Faktoren verursacht werden, zum Beispiel schwankende Gastemperaturen, Herstellungstoleranzen oder nichtlineare sowie destabilisierende Einflüsse eines Gaspulsierens. Dem Fachmann für moderne Strömungsdynamik ist bekannt, daß Strömungsinstabilitäten noch nicht restlos im Rahmen der heutigen Physik detailliert verstanden sind. Trotzdem kann der praktische Ingenieur dem Kriterium (IV) im Rahmen systematischer Experimente gerecht werden.
Es muß darauf hingewiesen werden, daß das Einfügen eines Diffusors am Kammereingang die Kräfte abschwächt, die Instabilitäten in der Kammer ansteuern, und deshalb erleichtert dies die Gestaltungsaufgabe.
In manchen Fällen können Leitplatten oder ähnliche Vorrichtungen in den Kammern installiert werden, um die Strömung zu stabilisieren und um zu helfen, sie ordnungsgemäß zu drehen oder abzulenken, so daß Instabilitäten verhindert werden. Leitplatten dürfen nicht eine Größe aufweisen oder in einer Weise angeordnet werden, die zur akustischen Isolierung bestimmter Kammerelemente führt oder eine Kammer in zwei oder mehr Kammerabschnitte unterteilt.
Neben einer Strömungsinstabilität, die durch abrupte Änderungen der Strömungsrichtung in einer Kammer angefacht wird, kann eine zweite Art von Instabilität in schlecht gestalteten Schalldämpferkammern auftreten, nämlich wesentliche Wirbel, die einer runden Kontur in einer Kammer folgen. Im Fall einer zylindrischen Kammer kann das gesamte Volumen sich um die Symmetrieachse drehen (wirbeln). Wie alle Arten von Strömungsinstabilitäten, kann diese Erscheinung zu übermäßigem Druckverlust und selbsterzeugtem Lärm führen.
Die zwei Hauptrisikofaktoren bezüglich einer solchen Strömungsinstabilität sind:

– Der 'Rundungsgrad' der Kammer,
– Der Anregungsgrad für strömungsdynamische Kräfte, die hauptsächlich auf tangentiale Eingänge und Ausgänge zurückzuführen sind.

Der Rundungsgrad kann vermindert werden, indem die Kammerform modifiziert wird oder indem Platten oder andere Komponenten in der Kammer eingebaut werden. In manchen Fällen können schallabsorbierende Elemente geeigneter Form, als perforierte Schutzplatten um Mineralwolle, den Doppelzweck erfüllen, Schallabsorption vorzusehen und einen Zylinder weniger rund zu gestalten. In manchen Fällen können Platten, die sich radial erstrecken, zur Verhinderung einer Verwirbelung eingesetzt werden.
Es ist wichtig, daß solche Elemente keine wesentlichen Hindernisse für die Strömung durch die Kammer darstellen. Normalerweise ist es jedoch nicht schwierig, eine solche Restriktion zu vermeiden. Der Grund dafür ist, daß eine Verwirbelung vom beschriebenem Typ im allgemeinen mit Strömungsrichtungen verbunden ist, die stark vom Hauptströmungsweg vom Eingang zum Ausgang innerhalb der Kammer abweichen.
Dies wird in der unten folgenden Beschreibung an Hand eines Beispiels illustriert.
Ein fünftes zwingendes Kriterium für die Kammergestaltung kann nun aufgestellt werden:

(V) Wenn ein Risiko besteht, daß ein Hauptstrudel in einer Kammer auftreten kann, sollte ihre Geometrie durch Einfügen einer oder mehrerer Elemente modifiziert werden, die einem solchen Strudel ein oder mehrere Hindernisse in den Weg stellen. Eine solche Modifikation der Geometrie sollte in einer Weise erfolgen, die der Strömung vom Kammereingang zum Kammerausgang keine großen Hindernisse in den Weg stellt.

Manchmal erlauben es die allgemeinen geometrischen Konditionen dem Gestaltungsingenieur des Schalldämpfers, die Längen der Verbindungsdurchgänge ziemlich frei zu wählen. Unter anderen Bedingungen besteht ein starker Anreiz, nach Wegen zu suchen, die Länge eines Kammerverbindungs-Durchgangs oder eines Endrohrs größer zu machen als das, was mit bekannten Schalldämpfergeometrien möglich zu sein scheint. Ein Beispiel dafür ist gegeben, wenn zwei oder mehr Kammern in einem ziemlich kurzem Schalldämpfergehäuse untergebracht werden sollen, in welchem Fall es schwierig erscheinen könnte, kurze Verbindungsdurchgänge zu vermeiden, was zu einer recht hohen natürlichen Frequenz und ziemlich schlechter Dämpfung des niederfrequenten Schalls führt.
Wenn der Gestaltungsingenieur Druckverluste ignoriert, wird er es nicht schwierig finden, lange Durchgänge zu bekommen, indem er eine oder mehrere scharte Wendungen im Durchgang vorsieht. Dies führt jedoch selten zu gutem Verhalten, liegt aber im Rahmen der vorliegenden Erfindung.
Strömungsgünstige lange Durchgänge können erzielt werden, indem der Durchgang in zwei oder mehr parallel liegende Durchgänge unterteilt wird, wobei jeder dieser Durchgänge kleinere transversale Abmessungen aufweist. Zum Beispiel kann ein Rohr mit kreisförmigem Querschnitt im mehrere Rohre mit kleinerem Durchmesser unterteilt werden, deren Querschnittsflächensumme gleich der Querschnittsfläche des einen größeren Rohrs ist. Kleinere transversale Abmessungen erlauben schärfere Biegungen, da die 'Strömungsgunst' wesentlich vom Verhältnis des Krümmungsradius zur transversalen Abmessung abhängt.
Folgendes Kriterium kann aufgestellt werden und ist sowohl für einzelne wie auch für mehrere parallel angeordnete Schalldämpfer-Durchgänge gültig:

(VI) Wenn der Durchgang von geraden Formen abweicht, so daß der allgemeine Strömungsweg im Durchgang gezwungen ist, sich zu krümmen oder zu drehen, sollte die Form des Durchgangs so beschaffen sein, daß der Krümmungsradius an keiner oder wenigstens fast keiner Stelle entlang des Weges kleiner als die kleinste transversale Abmessung des Durchgangs ist, gemessen senkrecht zur Tangente des Strömungswegs an der betreffenden Stelle.

Die Unterteilung von Durchgängen ist unter manchen Umständen realisierbar. Die Nachteile von diesem Verfahren zum Erzielen längerer Durchgänge sind höhere Herstellungskosten und zusätzliche Druckverluste durch Oberflächenreibung in den Durchgängen.
Ein Verfahren zur Vergrößerung der Durchgangslänge, welches von Stand der Schalldämpfertechnik stark abweicht, jedoch sehr effizient sein kann, beruht auf der Verwendung der dritten Dimension bei der Wahl der Form eines Durchgangs. In vielen Fällen kann dies zweckmäßig mit der Wahl einer spiralförmigen Form für den Durchgang erreicht werden (wie unten detailliert gezeigt wird), jedoch sind alternative Formen ebenfalls möglich.

(VII) Der Hauptströmungsweg des Durchgangs liegt nicht auf einer ebenen Fläche.

Eine notwendige Bedingung für einen verlängerten Durchgang, um wirksame Dämpfung niedriger Frequenzen zu erzielen, ist daß die Kammer oder die Kammern, mit welchen der Durchgang verbunden ist, wenigstens beide oben erwähnte Kriterien (I) und (II) erfüllt. Folglich dürfen spiralförmige oder sonstige verlängerte Durchgangsformen nicht in Kombinationen mit unzulänglichen Kammern, wie oben erläutert, verwendet werden.
Es wird das Konzept der effektiven akustischen Länge L' verwendet. Im Prinzip sollte L entlang des Hauptströmungsweges für die Fortpflanzung der akustischen Energie im Durchgang gemessen werden. Normalerweise deckt sich dieser Weg mehr oder weniger mit dem mittleren Gasströmungsweg.
In den meisten Fällen werden verlängerte Durchgänge gemäß der vorliegenden Erfindung mit massiven Wänden hergestellt, die der akustischen Energie keine Möglichkeit bieten, vom Durchgang durch die Wände abzuweichen, da dies die akustische Funktion des Durchgangs in Kombination mit der einen oder den mehreren Kammern, mit welchen er verbunden ist, behindern würde. In begrenztem Umfang sind jedoch Perforationen oder sonstige Öffnungen in den Wänden des Durchgangs zulässig, insbesondere wenn der Durchgang länger gemacht wird als für eine ausreichend tiefe natürliche Frequenz notwendig ist. Somit darf beispielsweise ein langer Durchgang Perforationen auf einem Teil seiner Länge aufweisen, in Kombination mit schallabsorbierendem Material, welches auf der anderen Seite des perforierten Teils angeordnet ist.
Das Prinzip der Verwendung eines spiralförmigen Durchgangs kann auch für das Endrohr angewendet werden, d. h. für das Rohr, welches das Auspuffgas von einem Schalldämpfer in die äußere Umgebung leitet, zum Beispiel in die freie Luft. Zum Beispiel kann ein spiralförmiges Rohr um ein zylindrisches Gehäuse gewickelt werden und mit einem kurzen geraden Endabschnitt des Endrohrs enden. Das spiralförmige Rohr kann auch rückwärts verlängert werden, in die letzte Kammer des Schalldämpfers hinein, um eine glatte Ausströmung in tangentialer Richtung zu erzielen. Diese Konfiguration kann verwendet werden, um eine niedrige natürliche Frequenz des Systems aus dem Endrohr und der letzten Kammer zu erzielen, auch wenn vorgeschrieben ist, daß der Auspuff in die äußere Umgebung in der Nähe des Schalldämpfers positioniert werden muß. Dies ist eine in Lastwagen und Omnibussen häufig angetroffene Situation, in welcher der Schalldämpfer in der Nähe eines Vorderrads angeordnet ist und der Auspuff seitlich vom Fahrzeug erfolgt.

Claims

Vorrichtung als Schalldämpfer für durch diese Vorrichtung strömende Gase, adaptiert zum Einbau in einem Fließsystem, wobei die Vorrichtung umfaßt: – ein einfaches Gehäuse (7). – wenigstens zwei selektierte, im Gehäuse enthaltene Kammern (1, 2), die für einen durch sie fließenden Gasstrom adaptiert sind. – wenigstens einen Durchgang (12), der die wenigstens zwei Kammern miteinander verbindet und eine Länge L und eine repräsentative Querschnittfläche a aufweist, um Gase von jeder der wenigstens zwei akustischen Kammern (1) zur anderen der wenigstens zwei akustischen Kammern (2) zu leiten. – wenigsten ein Eingangsrohr (6), um Gas in eine der wenigstens zwei akustischen Kammern (1, 2) hineinzuleiten, und wenigsten ein Auslaß, um Gas von der anderen der wenigstens zwei akustischen Kammern herauszuleiten. – wenigstens zwei Übergangsstellen der Querschnittsfläche für den durch diese fließenden Gasstrom, wobei jeder Übergang von einer relativ niedrigeren Querschnittsfläche a₁ zu einer relativ größeren Querschnittsfläche A_j übergeht, und wobei die folgenden Merkmale für wenigstens eine der aus wenigstens zwei akustischen Kammern selektierte Kammer (1, 2) gegeben sind: Die mittlere Querschnittsfläche A_j von jeder der selektierten Kammern (1, 2) wenigstens viermal so groß ist wie die Größte von: der Summe aller Querschnittsflächen der Durchgänge (12), die Gas in die selektierte Kammer a₁ leiten, und der Summe aller Querschnittsflächen der Durchgänge (12), die Gas aus der selektierten Kammer a₂ leiten. Die mittlere Querschnittsfläche A_j, definiert als Mittelwert aller Querschnittsflächen entlang eines mittleren Fortpflanzungswegs für Schalwellen, die von quer durch die selektierte Kammer (1, 2) kommen, und das Volumen V_i von wenigstens einer der wenigstens zwei selektierten Kammern mindestens 8(Wurzel((a1 + a2)/2)^3 beträgt, wobei a₁ und a₂ wie oben angegeben definiert sind, wobei die Querschnittsfläche A_j und das Volumen V_j betragen, einschließlich etwaiger Elemente, die zum Schallabsorbermaterial innerhalb der selektierten Kammer (1, 2) gehören und etwaige sonstige Teile der Vorrichtung, die mit der selektierten Kammer (1, 2) in akustischer Verbindung stehen, und wobei wenigstens ein Teil des wenigstens einen Durchgangs (12) gebogen ist, wobei der Generatrix des gebogenen Teils des Abschnitts (12) in peripherer Richtung so gewickelt ist, daß wenigsten ein Teil des gebogenen Durchgangs (12) eine planare Spiralform aufweist, oder Wobei wenigstens ein Teil von wenigstens eines Durchgangs (12) gebogen ist, wobei der Generatrix des gebogenen Teils des Durchgangs (12) in peripherer Richtung gewickelt ist, wobei dieser Teil des gebogenen Durchgangs (12) sich in Längsrichtung erstreckt, um eine schraubenförmige Helixform aufzuweisen, und wobei sich der gebogene Teil des Durchgangs radial erstreckt über einen der folgenden Winkelbereiche: Weniger als 90°, zwischen 90° und 180°, zwischen 180° und 270°, zwischen 270° und 360°, zwischen 360° und 720°, und zusätzlich wenigstens einen Diffusor aufweisend, um wenigstens einen Teil des durch wenigstens einen der Durchgänge fließenden Gasstroms diffus zu verteilen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, welche wenigstens einen vor oder hinter einem Eingangsdurchgang (6) angeordneten, monolithischen Körper (100) und/oder einen Auslaßdurchgang (4) von wenigstens einer der wenigstens zwei akustischen Kammern (1, 2) aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bis 2, wobei die Vorrichtung wenigstens zwei akustische Kammern (1, 2) aufweist, die über den gebogenen Durchgang (12) miteinander verbunden sind, und wobei eine der Kammern (1, 2) die andere umgibt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei der wenigstens eine monolithische Körper (100) ringförmig ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei der wenigstens eine monolithische Körper im wesentlichen unmittelbar vor oder im wesentlichen unmittelbar nach dem Eingangs-/Ausgangs-Durchlaß von wenigsten einer der wenigstens zwei akustischen Kammern angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei der Gasstrom den Durchgang an wenigstens zwei Positionen entlang des Durchgangs in tangentialer Richtung verläßt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1–6, wobei eine lokale Eigenfrequenz f_e von wenigstens einem Untersystem, welches das Gas von zwei aufeinanderfolgenden akustischen Kammern AC_j und AC_j+1 und den Gasdurchgang, der die zwei akustische Kammern verbindet, umfaßt, annähernd mit folgendem Ausdruck: fc = d/2pi Wurzel(a/L(1/Vj + 1/Vj+1))angegeben, wobei V_j und V_j+1 die respektiven Volumina der Kammern AC_j und AC_j+1 sind, a eine repräsentative Querschnittsfläche des die zwei aufeinanderfolgenden akustischen Kammern verbindenden Durchgangs ist, L die Länge des Durchgangs ist und c die lokale Schallgeschwindigkeit ist, höchstens das 0,75-fache einer Eigenfrequenz des Fließsystems beträgt, und – wobei das Fließsystem einen Kolbenmotor umfaßt und die Zündfrequenz des Kolbenmotors die charakteristische Eigenfrequenz ist, und – die lokale Eigenfrequenz höchstens das 0,5-fache der charakteristischen Eigenfrequenz des Fließsystems beträgt, beispielsweise höchstens das 0,4-fache, das 0,3-fache, das 0,25-fache, das 0,2-fache, das 0,15-fache oder das 0,1-fache der charakteristischen Eigenfrequenz des Fließsystems.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bis 7, wenigstens zwei selektierte Kammern aufweisend, welche die Kriterien der Ansprüche 1–9 erfüllen und über einen oder mehrere Durchgänge verbunden sind, wovon jeder eine effektive akustische Länge L aufweist, die wenigstens die Summe der Längen der zwei selektierten Kammern L₁ und L₂ beträgt.