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Luftfilter für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine - Dokument DE3237747C2
 
PatentDe  



Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Luftfilter für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solches Luftfilter ist aus dem DE-GM 71 04 854 bekannt.

Bei dem bekannten Luftfilter mündet die Auslaßöffnung des Gehäusebodens in einen freien Raum, wobei zwischen diesem und dem vom Filterelement umgebenen Raum eine Trennwand liegt, in der eine zentrale Öffnung für den Luftdurchtritt ausgeführt ist. Diese Ausbildung steht nicht unter Gesichtspunkten der Dämpfung des Ansauggeräuschs und würde in diesem Sinne auch keine besondere Wirkung entfalten, da der freie Raum eine eigene Kammer bildet und die Absaugung der Luft aus dem Filterinnenraum in üblicher Weise zentral und in Axialrichtung erfolgt. Es geht bei der bekannten Ausbildung um konstruktive Probleme der Unterbringung des Luftfilters innerhalb der Motorverkleidung eines Schleppers und es sollte ein doppeltgekröpftes Übergangsrohr entbehrlich gemacht werden.

Aus der US-PS 42 07 085 ist ein Luftfilter für Hubkolben- Brennkraftmaschinen ähnlichen Aufbaus bekannt, wobei die Auslaßöffnung unmittelbar in den vom Filterelement umgebenen Raum mündet.

Bei dieser bekannten Ausbildung ist allerdings der Mittelpunkt der Auslaßöffnung nur wenig gegenüber der Ebene versetzt, die durch die Achse des Gehäuses und den Mittelpunkt der Einlaßöffnung geht, und das Filterelement liegt exzentrisch im Gehäuse. Dabei wird eine Ansauggeräuschdämpfung dadurch zu erreichen gesucht, daß die Ebene der Auslaßöffnung gegenüber der Gehäusebodenfläche, in der sie sich befindet, geneigt ist. Die geringe außermittige Versetzung der Auslaßöffnung soll dagegen wieder nur der einfacheren Unterbringung in beengten Motorräumen dienen und wird auch keine wesentliche schalldämpfende Wirkung haben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Luftfilter zu schaffen, mit dem eine Verringerung des durch den Luftsaugstutzen in die Umgebung abgestrahlten Ansauggeräusches des Motors gelingt.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 die Auslaßöffnung unmittelbar in den vom Filterelement umgebenen Raum mündet.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung wird erreicht, daß bei der gattungsgemäß vorausgesetzten gegenseitigen Anordnung von Einlaßöffnung und Auslaßöffnung die von der letzteren gebildete Schwingungsanregungsquelle im Bereich des Knotens der niedrigsten radialen Resonanzschwingungsform liegt und diese Schwingungsform deshalb nicht oder nur kaum angeregt wird.

Die Erfindung wird nachstehend durch die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand der Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematisch ein Luftfilter für einen Hubkolben- Verbrennungsmotor im Axialschnitt,

Fig. 2 das Luftfilter gemäß Fig. 1 im Querschnitt,

Fig. 3 die Druckverteilung in der Kammer des Luftfilters bei den niedrigsten tangentialen Eigenschwingungsformen,

Fig. 4 die Druckverteilung in der Kammer des Luftfilters bei den niedrigsten radialen Eigenschwingungsformen,

Fig. 5 ein Geräuschspektrogramm, das bei der Durchführung von Vergleichsprüfungen eines bekannten Filters und des vorschlagsgemäßen Filters aufgenommen ist.

Das Luftfilter für einen Hubkolben-Verbrennungsmotor hat ein in Form eines Kreiszylinders ausgeführtes Gehäuse 1 mit einer Einlaßöffnung 2, von der ein Luftsaugstutzen 3 ausgeht. Im Boden 4 des Gehäuses 1 befindet sich eine Auslaßöffnung 5. Innerhalb des Gehäuses 1 und gleichachsig zu diesem ist ein Filterelement 6 angeordnet. Oben ist das Gehäuse 1 durch einen Deckel 7 verschlossen.

Die Mittelpunkte der Einlaßöffnung 2 und der Auslaßöffnung 5 liegen in zueinander rechtwinklig verlaufenden Ebenen, die durch die Achse des Gehäuses 1 gehen, wobei der Mittelpunkt der Auslaßöffnung 5 von der Gehäuseachse um einen Abstand r von (0,58 bis 0,68) R versetzt ist, wobei R der Radius des Gehäusemantels ist.

Die Wirkung des beschriebenen Luftfilters beruht auf folgendem:

Während des Motorbetriebs entsteht ein durch eine starke Wechselkomponente gekennzeichneter Luftdurchsatz durch das Filter, der eine Anregung von Schwingungen in den in den einzelnen Rohrelementen eingeschlossenen Luftvolumina und von anderen Volumina des Einlaßsystems bewirkt. Die Luftvolumen in den einzelnen Elementen des Systems besitzen ein bestimmtes Frequenzverhalten und Eigenfrequenzen, die auf anregende Einwirkungen in Übereinstimmung mit dem eigenen Frequenzverhalten ansprechen und die durch den Luftsaugstutzen 3 austretende akustische Abstrahlung bestimmen.

Das Volumen der im Gehäuse 1 eingeschlossenen Luftsäule kann als eine volumenmäßig verteilte Masse angesehen werden, die ein bestimmtes elastisches, Trägheits- und ein dissipatives Verhalten aufweist. Erregt wird diese Masse an der Auslaßöffnung 5. Infolge der genannten Erregung beginnt das das Gehäuse 1 ausfüllende Luftvolumen in seinen Eigenfrequenzen zu schwingen, was die Aufschaukelung der im Lufteinlaßstutzen 3 eingeschlossenen Luftsäule bei diesen Frequenzen und die Intensität der abgegebenen akustischen Abstrahlung verstärkt.

Wie die Versuche ergeben haben, sind die Schwingungen der im Gehäuse 1 eingeschlossenen Luftsäule bei den niedrigsten tangentialen und radialen Schwingungsformen am stärksten, die durch scharf ausgeprägte Druckmaxima (Bäuche) und -minima (Knoten) gekennzeichnet sind. Die Anordnung der Auslaßöffnung 5 in einem Abstand 0,63 R von der Gehäuseachse entspricht seiner Unterbringung in der Knotenlinie der niedrigsten radialen Schwingungsform, was die Aufschaukelung des Luftvolumens selbst bei diesen Schwingungen verringert. Die Anordnung der Einlaßöffnung 2 auf der Knotenlinie der niedrigsten tangentialen Form führt dazu, daß die Energie an die im Luftsaugstutzen 3 eingeschlossene Luftsäule nicht abgegeben und eine Vermittlung dieser Schwingungen vom Gehäuse 1 an den Stutzen 3 verhindert wird, was eine Verstärkung der akustischen Abstrahlung auf dieser Frequenz ausschließt.

Auf rechnerisch-experimentellem Wege wurde durch Untersuchungen von Druckfeldern im Gehäuse 1 des Luftfilters festgestellt, daß die niedrigsten Formen der Eigenschwingungen der Drücke des Volumens des Gehäuses 1 eine Form von Kosinusoiden und, genauer genommen, von Besselfunktionen (Fig. 3) mit einem Druckmaximum an den Seitenwänden des Gehäuses 1 des Luftfilters in einer durch die Achse des Gehäuses und die Mitte der Auslaßöffnung 5 verlaufenden Ebene aufweisen. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, liegt eine Nullinie auf dem Durchmesser senkrecht zu einer die Achse des Gehäuses 1 mit der Mitte der Auslaßöffnung 5 verbindenden Geraden. Deswegen soll die Einlaßöffnung 2 des Luftsaugstutzens 3 in diesem Bereich der Nullwerte (Minimalwerte) liegen, um eine minimale Übertragung der entstehenden Druckschwankungen in der Kammer (bei den niedrigsten tangentialen Formen der Eigenschwingungen) an den Luftsaugstutzen 3 zu gewährleisten, durch den die Schallenergie eben abgestrahlt wird.

Aus einer Analyse der Kurven der Druckverteilung im Gehäuse 1 des Luftfilters bei den niedrigsten radialen Schwingungsformen (Fig. 4) folgt, daß die Knotenbereiche auf einer Kreislinie um die Gehäuseachse und mit einem Radius r=0,63 R liegen, wo R der Radius des Gehäusemantels ist.

Die Verteilung der Druckfelder im Gehäuse 1 des Luftfilters erfolgt bei einer solchen Schwingungsform nach einer Besselfunktion der ersten Art &udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;mit

P Druck bei der radialen Schwingungsform,

r laufender Radius,

R Radius des Gehäuses 1.



In diesem Fall werden die Nullwerte der Drücke bei Werten r=0,63 R erhalten (die Knotenlinien werden also bei r=0,63 R gebildet). Wie aus der Kurve (Fig. 4) zu ersehen ist, liegen genügend kleine Druckwerte im Bereich r=(0,58 bis 0,68) R, was es erlaubt, eine gewisse "Verformung" der Druckkurve wegen der unsymmetrischen Anordnung der Auslaßöffnung 5 im Boden 4 des Luftfilters zu berücksichtigen und auszugleichen.

Wichtig ist die Lage der beiden Öffnungen 2 und 5 im Gehäuse 1. Die Erregung und die Übertragung der niedrigsten tangentialen Schwingungsformen werden bei einer beliebigen Lage des Luftsaugstutzens 3 in dem Fall eliminiert oder beträchtlich abgeschwächt, wenn die Auslaßöffnung 5 im Mittelpunkt des Gehäuses 1 liegt, jedoch wird dann die niedrigste Form der Radialschwingungen, wie aus Fig. 4 ersichtlich, intensiv durchgelassen. Es ist deshalb zur Unterdrückung der beiden Schwingungsformen notwendig, die gegenseitige Anordnung der Öffnungen 2 und 5 im Gehäuse 1 des Luftfilters zu wählen, wie vorstehend beschrieben.

Die Ergebnisse der durchgeführten Untersuchungen sind in einem Vergleich mit der nächstkommenden bekannten Ausbildung in Fig. 5 dargestellt.

Durch die ausgezogene Kurve (a) ist das gemessene Geräuschspektrum, durch die gestrichelte Kurve (b) das Geräuschspektrum für die vorgeschlagene Konstruktion angedeutet.

Die Anordnung der Einlaßöffnung 2 in der Knotenlinie der tangentialen Resonanzschwingungen des Luftvolumens im Gehäuse gestattete es, ein Durchlassen dieser intensiven Schwingungen in den Luftsaugstutzen 3 zu verhindern und eine durch den Stutzen 3 in den Frequenzen von 630 bis 800 Hz in Grenzen bis zu 9 dB erzeugte intensive akustische Abstrahlung zu beseitigen. Die Wirksamkeit der Geräuschunterdrückung durch das vorgeschlagene Luftfilter ist durch das schraffierte Gebiet im Spektrum angedeutet.


Anspruch[de]
  1. Luftfilter für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einem zylindrischen Gehäuse (1), in dem eine Einlaßöffnung (2) vorgesehen ist, von der ein Luftsaugstutzen (3) ausgeht,

    mit einer im Boden (4) des Gehäuses (1) angeordneten Auslaßöffnung (5), deren Mittelpunkt von der Achse des Gehäuses (1) einen Abstand (r) vom 0,58fachen bis zum 0,68fachen des Radius des Gehäusemantels aufweist,

    mit einem im Gehäuse (1) gleichachsig zu diesem angeordneten Filterelement (6),

    und mit einem das Gehäuse (1) abschließenden Deckel (7), wobei die Mittelpunkte der Einlaß- und der Auslaßöffnung (2; 5) in durch die Achse des Gehäuses (1) rechtwinklig zueinander verlaufenden Ebenen liegen,

    dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßöffnung (5) unmittelbar in den vom Filterelement (6) umgebenen Raum mündet.






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