Webasto Bus GmbH

AbgasSchalldämpfer für Kraftfahrzeugzusatzheizungen

Die Erfindung betrifft einen Abgasschalldämpfer für Kraftfahrzeugzυsat ∑heizur.gen .

Der Einsatz von Zusatzheizungen in Kraftfahrzeugen gewinnt zunehmend an Bedeutung. Bekannt sind im Stand des Kraft- fahrzeugs, insbesondere bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor berreibbare Standheizungen, bei laufendem Verbrennungsmotor betreibbare Zuheizer und solche Zusatzheizυngen, die sowohl im Stand als auch während der Fahrt des Kraftfahrzeugs zum Einsatz kommen. Insbesondere im Bereich der Per- sonenbefόrderung in Bussen oder dergleichen spielen Zusatzheizungen eine wichtige Rolle.

Neben der Einhaltung der gesetzlichen Vorschriften für die Zusammensetzung von Rauchgasen moderner und Schadstoffarmer Wärmeerzeuger ist die im 3etrieb der Vorrichtung auftretende Schallabstrahlung ein weiterer zu berücksichtigender As- pekt. Die Schallabstrahltmg wird unter Umständen als zu laut und unangenehm empfunden.

Im Hinblick auf die Schallerzeugung kann grundsätzlich zwischen mechanischem und nicht-mechanischem Lärm unterschie- den werden. Dabei lässt sich vor allem die Bewegung mechanischer Bauteile und Komponenten in die erste Kategorie einordnen. Daneben ist unter nicht-mechanischem Lärm die Ausbreitung einer Druckstorung mit Schallgeschwindigkeit in einem Fluid infolge dessen Eigenbewegung zu verstehen. Ein hoher Grad an Turbulenz trägt daneben zur Verstärkung dieses Lärmanteiles bei.

So sind bei Wärmeerzeugern insbesondere folgende mechanische Schallquellen bekennt: Kotoren, Lüfter und Brenπstoff- pumpen zur Bereitstellung des für die Verbrennung erforderlichen Brennstoff-Luft-Gemisches . Ais Quellen nicht mechanischen Lärms werden Verbrennungsgerausche und Geräusche infolge der heißen Rauchgasstromung am Abgasstutzen angesehen.

Bezogen auf den nicht-mechanischen Lärm sind zur Minderung der Schallemissionen so genannte Prinär- und Sekundärmaßnahmen bekannt. Primärmaßnahmen beeinflussen die Schallentstehung und Ausbreitung infolge einer stark turbulenten nicht-vorgemischten Jlarrσne bereits unmittelbar am Ort der

Schaliεπtstehung, das hei.ßt bei auf Verbrennung basierenden

Wärmeεrzeugern in der Brennkammer selbst. So steller, insbesondere perforierte Brennraumwände eine gebräuchliche Methode zur Dampfung der 5rennkäπimerakustik dar. In Hinblick auf die Lärmerzεugung in Wärmeerzeirgern darf darüber hinaus auch die akustische Rückkopplung zur Flamme nicht vernachlässigt werden. Auf diesem Sektor sind Maßnahmen der Lärmminderung infolge einer Optimierung der Austrittsgeometrien bekannt.. Diese werden üblicherweise möglichst reflexionsarm gestaltet. Eine recht einfache und effiziente Lesung stellt in diesem Zusammenhang der Einsatz von Blenden im Aus- trittsstutzen dar. Darüber hinaus werden mit nachgeschalte- ten AbgasSchalldämpfern ebenfalls positive Effekte der Larmminderung erreicht. Eine weitere Möglichkeit, die akustischen Eigenschaften zu optimieren, ist durch den Einsatz von Helmholtzdämpfern gegeben.

Helmholtzdampfer sind akustische Systeme, die aus einer schwingenden Luftsäule und einem angekoppelten Luftvolumen bestehen. ähnlich einen Feder-Masse-System stellt auch der Helmholt zdämpfer ein schwingendes System dar. So ergibt sich aufgrund der geometrischen Abmessungen der Luftsäule und der spezifischen Dichte der sich darin befindlichen Luf ^~ eine akustische Masse. Diese lagert auf dem angekoppelten Luftvolumen, weiches eine Art federndes Luftkissen darstellt. Damit der Helmholtzdampfer den Schall absorbiert, wird die schwingende Luft in der öffnung durch Reibung gebremst. Der entscheidende Nachteil von Heimholtz- dämpfεrn besteht in der Tatsache, dass diese den Schall ausschließlich in einem sehr schmalen Frequenzbereich ab- sorbieren. Darüber hinaus erfordern derartige Dampfersyste- men zusätzlichen Bauraum bzw. einen konstruktiven Eingriff

in die Brennraumgeometrie, was in der Folge zu veränderten Abgasemissionswerten führen kann.

Neben der Herausforderung, den Druckverltist über einen Ab- gasschalldämpfer entsprechend gering zu halten, stellen sekundäre Maßnahmen zur Schalldämpfung eher ein räumliches Problem dar. Entsprechend der Leistungsgröße des Wärmeer- zeugers und der damit verbundenen Rauchgasmenge erfordert der Einsatz eines sinnvoll abgestimmten und ausgelegten Ab- gasschalldämpfers zusätzlichen Bauraurn. Dieser steht jedoch insbesondere bei mobilen Anwendungen nicht oder nur sehr eingeschränkt zur Verfügung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Abgas- Schalldämpfer zur Verfügung zu stellen, auf dessen Grundlage das Ausmaß an unerwünschten Schallemissionen verringert wird.

Diese A.ufgabe wird mit den Merkmalen des unabhängigen An- Spruchs gelöst.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung besteht in einem Abgasschalldämpfer für

Kraftfahrzeugzusatzhεizungen, mit einem Abgasführυngsbe- reich und einer zumindest teilweise in dem Abgasfϋhrungsbe- reich angeordneten Düse, die einen Abgaseintrittsbereich und einen Abgasaustrittsberεicn aufv?eist, wobei der Abgas- austrittsbereich von einem gezahnten Rand der DüSξ umgeben ist, der in den Abgasführungsbereich hineinragt. Auf der

Grundlage des Einsatzes einer solchen Düse mit gezahntem Rand lassen sich die Schalleraissionen einer Kraftfahrzeugzusatzheizung deutlich verringern. ξs ist bekannt, m Strahltriebwerken gezahnte Bereiche vorzusehen, um auf die- ser Grundlage den Strahllarra ZJ reduzieren. Derartige Zahne oder Zacken -werden auch als "Chevrons" bezeichnet. In diesem Sinne kann die gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzte Düse als Chevron-Düse bezeichnet werden. Eine derartige Düse stellt im Wesentlichen eine Mischeinrichtung dar. Dabei liegt dem Effekt der Lärimunderung aie Tatsache zugrunde, dass Chevrons ein hohes Maß an axialer Wirbel- starke erzeugen, wodurch sich der heiße Abgasstrahl schneller ausweitet und sich mit der Umgebung vermischt. Hier- curch werden kohärente Wirbel, die für die Schallerzeugung bei Strahllarm verantwortlich sind, in Bezug auf ihre Entstehung behindert.

Nutzlicherweise ist vorgesehen, dass der Abgasfuhrungsbe- reich durch einen im Wesentlichen axialsymme tri sehen Abgas- szutzen gebildet ist, dass die Düse in dem Abgasstutzen angeordnet ist und dass der Abgasemtrirτ soereich von einem im Wesentlichen glatten Rand umgeoen ist, der aber eine bezüglich des glatten Randes radial außen liegende Blende an dem Abgasstutzen befestigt ist. Die Befestigung der Blende am Abgasstutzen kann unmittelbar an diesem Erfolgen oder an einem Befestiguπgspunkt eines an den Abgasstutzen angrenzenden Gehäuses, dass heißt insbesondere einer Brennkammer oder einem Wärmeübertrager.

Es ist bevorzugt, dass die Düse eir.en Dusenwmkel zwischen 3° jnd 7° aufweist. Beispielsweise kann der Dusenwinkel 5°

- S -

betragsn. Der Dυsenwinkeϊ muss nicht konstant, sein, er kann auch über die axiale Erstreckung der Düse variieren. Beispielweise kann die Düse mit einem Dusenwmkel von 0 im Bereich der Elende beginnen, dann in einen Bereich mit einem Dusenwinkel von beispielsweise 5° übergehen, um dann im Bereich der Zahne am Abgasaustrittsbereich in einem weiter vergrößerter. Düsenwinkel zu encen, so dass sich die Zahne in die AbgasStrömung hinein erstrecken.

Ebenfalls kann vorgesehen sein, dass die Düse einen Dusenwinkel zwischen 7° und 14° aufweist. Beispielsweise betragt der Duseπwinkei 10°, wobei auch hier wiederum ein konstanter Dusenwinkel oder ein sich ändernder Düsenwir.kel vorgesehen sein können.

Gleiches gilt auch für Ausfαhrungsformen der Erfindung, bei αer.er. vorgesehen is ^~ , dass die Düse einen Dusenv. inkel zwischen 14° und 18 ^c aufweist. Beispielsweise betragt der Du- senwinkel 15° .

Es kann vorgesehen sein, dass der Abgaεaustrittsbereich 12 Zahne aufweist .

Ebenfalls ist es möglich, dass der Abgasaustnttsberεich 6 Zahne aufweist. Neben diesen typischen Beispielen kann die Anzar.l der Zahne auch andere Werte, insbesondere auch ange- rade Werte annehmen. Form und Große der Zahne müssen nicht einheitlich sein. Beispielsweise können einige größere Zahne tiefer alr die restliche Zähen m riie Abgasstromunq hin- einraσeπ.

Die Erfindung ist weiterhin dadurch besonders vorteilhaft ausgebildet, dass der Durchmesser des Abgaseintnttsbe- reichs einen Wert zwischen 35 und 45 mm aufweist. Beispielsweise betragt der Durchmesser des Abgaseintrittsbe- reiches 40 mm, insbesondere bei Keizsystemen für Nuczfahr- zeuge, wie etwa Busse. Im ?KW-Bereich sind Durchmesser im Bereich von 20 mm bevorzugt

Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert.

Es zeigen :

Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung eines erfiπ- dungsgemaßen Abgasschaiidampfers;

Figur 2 Schalldruckpegel in Abhängigkeit von für die

Verbrennung geltender Luftzahlsn λ für verschie- dene Abgasschal ldampfer;

Figur 3 A-bewertete Schalldruckpegel in Abhängigkeit von für die Verbrennung geltender Luft zahlen λ für verschiedene äbgasschallda~,pfer ; und

Figur 4 ein Schalldruck-Frequenz-DiagrcFin für verschiedene Abgasschalldampfer.

Figur 1 zeigt eine Schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemaßen Abgasschaiidampfers. Der Abgasschalldämpfer 10 umfasst einen Abgasstutzen 22. Dieser Abcassüuczen

22 bildet eine Verbindung zwiscnen einerr Brennraum 28 und der Umgebung 30. Der Breπnraαm 28 wird im Bereich des Abgasschalldampfers 10 beispielsweise durch sine Brennkamrrer- wand oder eine Warmeubertragerwand 32 begrenzt, ϊnnerhalo des Abgasstjtzens 22 ist eine Dαse 14 angeordnet. Diese Düse 14 ist wie der Abgasstutzen 22 im Wesentlichen axialsymmetrisch, und sie weist an ihrem Abgasaustrittsbereich IB einen gezahnten Rand 20 auf. Die Düse 14 ist an ihrem Ab- gaseintπttsbereich 16 mit einem, glasten Rand 24 ausgestat- ts:, über den sie mit einer Blende 26 verbunden ist. Die Blende ist am Abgasstutzen 22 beziehungsweise der Wand 32 angebracht .

In dem Brennrauii 28 entstehende neiße Rauchgase 34 gelangen durch die öffnung der Blende 26 in die Düse 14. über den gezahnten Rand 20 der Düse 14 verlassen die Paacncase die Düse 14, und sie strömen in die Umgebung 30.

Grundsätzlich srellen Blenden in einem Abgasstutzen eine Möglichkeit dar, die akustische Rückkopplung des Abgasbereiches auf die Flamme im Brenrraum zu beeinflussen, um auf diese Weise die akustischen Eigenschafren des Warneerzeugers zu optimierer. Dabei sind die Blenden insbesondere da- hmgenend auszulegen, αass sie eine möglichst reflektion- sarire akust_sche Randbedingung realisieren. Indem in Abgasstutzen run eine Djse mit gezahntem Abgasaustrittsbereicb angeordnet ist, kann zusatzlicn der von der Blende erzeugte Strahllarm reduziert .verden. Dabei ragen die Zahne msbe- sonαere m die Strömung der neiSeπ Rauchgase, wodurch sie ein nches MaFs an axialer Wirr>elstarke erzeugen. Hierdjrcn weitet sich der Abgasstrahl schneller auf, und die Vermi-

schling mit der Umgebungsluft wird beschleunigt. Folglich wird die Entstehung kohärenter Wirbel, die für den Strahl- larm verantwortlich sind, behindert.

Die im vorliegenden Ausfuhrungsbeispiel gemäß Figur 1 dargestellte Düse hat ausgehend vom Abgaseintrittsbereich 16 zunächst einen Düsenwinkel von 0, der im weiteren Verlauf in einen 3ereicrι mit einen Dϋsenwmkel von ungleich 0 übergeht. Ebenso sind andere Ausbildungen und Formen denkbar, beispielsweise mit. konstantem Dusenwinkel, anderem Diisen- wir.kei als dargestellt oder nit einer anderen Anzanl und einer anderen Form der am Abgasaustrittsbereich 18 angeordneten Zanne.

Figur 2 zeigt Schalldruckpegel in Abhängigkeit von für die Verbrennung geltender Luftzahlen λ für verschiedene Abgas- schalldar.pfer . Figur 3 zeigt A-bewertete Scnalldruckpegel in Abhängigkeit von für die Verbrennung geltender Luftzahlen λ für verschiedene Abgasschalldaπtpfer . Figur 4 zeigt ein Schalldruck-Frequenz-Diagrarnm für verschiedene Abgasstutzen. In den nachfolgenden Diagrammen werden verschiedene AbgasSchalldämpfer in Bezug aαf ihren Schalldruckpegel mit dem Fall ohne Schalldampfer verglichen. Die verschiedenen Wertegruppen sind jeweils einer bestimmten Konfigαrati- on zuzuordnen, nämlich:

a: Ohne Abgasschalldampfer b: Abgasschalldarrpfer des Standes der Technik c: ξrfindungsgemaßer Abgasschalldarnpfer mit 12 Zahnen, einem Dusenwinkel von 5° und einem Duseneinzrirts- dυrchmessεr von 40 mn.

d: Erfindungsgernaßer Abgasschalldampfer mit 6 Zahnen, einem Dusenwinkel von 10° und einem Duseneintrittdurch- messer von 40 mm. e: Erfindungsgemäßer Abgasschalldampfer mit 6 Zahnen, ei- nem Dϋsenwinkel von 15° αnd einem Düseneintrittdurch- messer von 40 mm.

Der Abgasschalldämpfer des Standes der Technik (Fall b) um- fasst eine im Abgasstutzen angeordnete Blende, die durch zwei parallele sich in axiale Richtung erstreckende öffnungen durchbrochen ist. ξs ist erkennbar, dass die Konfigurationen c, d und e stets eine Verbesserung im Vergleich zu der Konfiguration ohne Abgasschaildämpfer sowie auch im Vergleich zur Konfiguration mit einem Abgasschalldampfer des Standes der Technik zur Verfugung stellen. Insbesondere im fetten Brennerbetrieb, dass heißt bei kleinen λ-Werten, ist in den Figuren 2 und 3 ein unerwünschter Anstieg des Schal] druckpegel ξ zu erkennen. Dieser Anstieg ist durch die einsetzende Verbrennungsinstabilitat zu erklären. Mittels der Konfigurationen c, e und d "wird dieses Problem überwunden. Die Konfigurationen c und d weisen eine bessere Reduktion des A-bewerteten Schalldruckpegeis auf als die Konfiguration e. Gegenüber der Konfiguration des Standes der Technik (Fall b) konnte der A-bewertete Schalldruckpegel bis zu 2,5 dB (A) abgesenkt werden, im Vergleich zur "freien" Konfiguration sogar bis zu 7 dB (A) . Anhand von Figur 4 ist insbesondere zu erkennen, dass für den Fall ohne Schalldämpfer und den Fall mit einem Schalldämpfer des Standes der Technik ein Maximum in der Schalidruckkurve bei einer Frequenz von 167 Hz auftritt. Im Bereich dieses Maximums gelingt es nit den Konfigurationen c, d und e, den

- II -

Schalldruck deutlich zu verringern. Dies setzt: unerwünschten Lärm im niedrigen Frequenzbereich ("Brummen") herab, und die Gefahr von Verbrennungsinstabilitäten an den Grenzen eines angestrebten 3rennerarbeitsbereiches zwischen Lufrzahlen λ zwischen beispielsweise 1,3 und 1,5 besteht nicht mehr.

Insgesamt liegt damit ein Abgasschalldärr.pfer vor, der zufrieden stellende Eigenschaften hau und zudem in einfacher Weise als klassisches Tiefziehteil oder Gussteil gefertigt werden kann .

Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

Bezugszeichenliste :

10 Abgasschalldämpfer

12 Abgasführungsbereich

14 Düse

16 Abgaseintrittsbereich

15 Abgasaustrittsbereich 20 gezahnter Rand

22 Abgassr.ur.zen

24 glatter Rand

26 Blende

2S 3rennraurn 30 Umgebung

32 Wand

Rauch σaε