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Die Erfindung betrifft eine Einlass- oder Auslassieltung für
Hubkolbenmaschinen.
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Gemäß der Erfindung ist unter einer Hubkolbenmaschine jede
Vorrichtung zu verstehen, die pulsierende
Durchsatzschwingungen entweder auf verursachte oder spontane Weise erzeugt,
wie z. B. bei einem Wärmekraftmotor, einem Kompressor oder
einer Wärmepumpe.
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Es ist bekannt, dass pulsierende Schwingungen der
Einlass- oder Auslassgase eines Hubkolbenmotors eine wichtige
Geräuschquelle bilden, insbesondere von Geräuschen tiefer
Frequenzen. Dasselbe gilt für die Auslasseinrichtungen aller
Hubkolbenmaschinen (Kompressoren, Vakuumpumpen, Wärmepumpen
usw.) sowie die Einlässe dieser Maschinen.
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Diese pulsierenden Schwingungen sind bei Frequenzen, die
genau mit dem Maschinenzyklus verbunden sind, sehr
energiereich, jedoch sind sie bei verschiedenen zwischenfrequenzen
sehr schwach.
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Die akustische Analyse dieser Geräusche zeigt tatsächlich
ein Spektrum mit diskreten, sehr energiereichen Linien.
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Um das von den pulsierenden Schwingungen z. B. eines
Wärmekraftmotors erzeugte Geräuschniveau zu verringern, werden
mit Schalldämpfern versehene Auslassleitungen verwendet.
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Jedoch führen diese Schalldämpfer, wenn sie es ermöglichen,
pulsierende Schwingungen tiefer Frequenzen der Auslassgase
mäßig zu dämpfen, gleichzeitig Singularitäten in die
Auslassleitung ein, die sich als Schwankungen und Turbulenzen
der Strömung und demgemäß als Geräusche zeigen, die mittlere
und höhere Frequenzen aufweisen.
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Außerdem sind, wenn eine Auslassleitung an einem
Kraftfahrzeug angebracht ist, ihre geometrischen Singularitäten noch
bedeutsamer, da sie an den unter dem Fahrzeug verfügbaren
Raum angepasst werden muss. Daher ist an Auslassleitungen
häufig festzustellen, dass der Innenguerschnitt der Leitung
mehrmals von einem Ende zum anderen der Auslassleitung
variiert, die übrigens zahlreiche Stauemrichtungen und andere
Hindernisse enthält, die Geräusche erzeugen können.
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Daraus ergibt sich, dass übliche Auslassleitungen, die aus
Schalldämpfern verbindenden Rohrleitungen bestehen, relativ
voluminos sind und den Ursprung zusätzlicher
Gasbewegungsgeräusche bilden; außerdem führen sie zu ziemlich merklichen
Druckverlusten.
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Es sind auch Einrichtungen zum Verringern der Geräusche
einer Auslassleitung bekannt, die, in Richtung der
Auslassleitung, eine Schallwelle erzeugen, die so stark wie möglich
mit derjenigen übereinstimmt, die durch die letztere
emittiert wird.
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Jedoch sind derartige Vorrichtungen sehr voluminös, sie
erfordern sehr empfindliche elektronische und akustische
Ausrüstungen und sie sind demgemäß bei den besonders schweren
Gebrauchsbedingungen einer Kraftfahrzeug-Auslassleitung
wenig zuverlässig.
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Außerdem sind derartige Vorrichtungen hinsichtlich des
Energiegesichtspunkts insoweit wenig zufriedenstellend, als sie
in keiner Weise versuchen, die Energie zu verringern, die
bei der Geräuscherzeugung eingesetzt wird, sondern die im
Gegensatz zusatzenergie mit einem Wert aufwenden, der
zumindest gleich groß ist.
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Schließlich realisieren diese Vorrichtungen Techniken,
betreffend die die Konzeption einer Auslassleitung, die an
einen derartigen Motor angepasst ist und dazu bestimmt ist,
an einer derartigen Ausrüstung angebracht zu werden,
komplizierte Simulationen des Verhaltens des Fluids im Inneren der
Auslassleitung erfordern, und zwar im Hinblick auf Elemente,
aus denen sie aufgebaut sein soll, und die außerdem
miteinander wechselwirken können.
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Es wurde auch bereits versucht, die pulsierenden
Schwingungen im Durchsatz eines Fluids in einer Leitung mittels
Vorrichtungen mit variabler Geometrie zu dämpfen, die
versuchen, die Resonanzfrequenzen in der Leitung dadurch zu
modifizieren, dass die Wirkung einer Verengungseinrichtung auf
globale Weise an den Fluiddurchsatz in der Leitung angepasst
wird, also nicht an die eigentlichen pulsierenden
Fluidschwingungen.
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Die Erfindung zielt darauf ab, eine neuartige Einlass- oder
Auslassleitung zu schaffen, die die im Stand der Technik
angetroffenen Mängel nicht aufweist und die es ermöglicht,
auf erhebliche Weise insbesondere den Schallpegel eines
Wärmekraftmotors zu dämpfen, wobei es sich um eine einfache und
wirtschaftliche Ausführungsform handelt.
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Außerdem zeigt es sich, dass der Gegenstand der Erfindung
von seiner Struktur her eine beachtliche Anpassbarkeit an
verschiedene Hubkolbenmaschinen und an verschiedene
geometrische Formen, wie sie von ihm angetroffen werden können,
aufweist.
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Außerdem ermöglicht es die erfindungsgemäße Einlass- oder
Auslassleitung, das von einem Messdetektor ausgegebene
Signal zu analysieren, um eine Fehlfunktion der
Hubkolbenmaschine zu erfassen und schließlich zu diagnostizieren.
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Die Erfindung hat eine Einlass- oder Auslassleitung
insbesondere für Hubkolbenmaschinen zum Ziel, wie sie durch den
Anspruch definiert ist.
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Die erfindungsgemäße Analysevorrichtung vergleicht die
verschiedenen Perioden des gemessenen Schallsignals mit
Bezugssignalen.
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Zum Beispiel bildet das für einen Wärmekraftmotor mit vier
Zylindern ins Auge gefasste Schallsignal einen Zyklus mit
vier Perioden. Eine Unregelmäßigkeit in einer dieser
Perioden in bezug auf drei andere kann eine Fehlfunktion eines
der drei Zylinder aufdecken.
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Die Erfindung vereinigt die Vorteile einer veränderbaren
Verengungseinrichtung, die eine aktive Steuerung der
pulsierenden Durchsatzschwingungen eines Gases erzielt, mit
denen einer Auskleidung der Wände eines Stutzens.
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Die Erfinder haben tatsächlich erkannt, dass es diese zwei
Einrichtungen, die in derselben Einlass- oder Auslassleitung
vereinigt sind, ermöglichen, Geräuschdämpfungen zu erzielen,
die über denen liegen, wie sie dann erhalten werden, wenn
diese Einrichtungen gesondert verwendet werden.
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Das komplementäre Verhalten der veränderbaren
Verengungseinrichtung und der Auskleidung der Innenwand des Stutzens
steht mit der Tatsache in Verbindung, dass die veränderbare
Verengungseinrichtung, die ein Hindernis bildet, das dem
Durchströmen des Gases entgegengestellt ist, selbst eine
Geräuschquelle bildet.
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Nun ist das Klangniveau dieses parasitären Geräuschs auf
mittlere oder hohe Frequenzen begrenzt, da die veränderbare
Verengungseinrichtung durch ihre Konstruktion automatisch
pulsierende Gasschwingungen mit niedrigen Frequenzen
beseitigt, einschließlich derjenigen, deren Ursprung sie sein
kann.
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Im Gegensatz hierzu ist die Auskleidung der Wände relativ
wenig wirkungsvoll, was ein Dämpfen der Geräusch niedriger
Frequenzen betrifft, jedoch ist sie speziell dazu geeignet,
Geräusche hoher Frequenzen zu dämpfen.
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Infolgedessen ist die Auskleidung der Wände dazu angezeigt,
hochfrequente Gasgeräusche zu beseitigen, wie hochfrequente
Komponenten der von der aktiven Steuerungseinrichtung
erzeugten Geräusche. Eine andere Rolle der Auskleidung ist es,
jede wesentliche Reflektion von Schallwellen im Inneren des
Stutzens zu vermeiden.
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Im Fall eines Wärmekraftmotors kann eine erfindungsgemäße
Auslassleitung ohne Schalldämpfer gemäß der bisherigen
Technik auskommen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wirkt
die Einrichtung zum Verengen des Querschnitts des Stutzens
auf denjenigen Teil des Stutzens ein, der von der die
pulsierenden Schwingungen erzeugenden Maschine entfernt ist.
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Tatsächlich ist es bevorzugt, die pulsierenden
Gasschwingungen so weit wie möglich entfernt von der Hubkolbenmaschine
aktiv zu steuern, d.h. unter Beibehaltung eines wesentlichen
Fluidvolumens stromaufwärts bezüglich der
Verengungseinrichtung, um eine Beeinträchtigung des Energiewirkungsgrads der
Maschine zu verhindern.
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Bei einer anderen Ausführungsform verfügt derjenige
Abschnitt des Stutzens, der stromaufwärts bezüglich der
Verengungseinrichtung liegt, über einen größeren Durchmesser als
derjenige Abschnitt des Stutzens, der die letztere umfasst.
So weist der Stutzen wie bei der vorigen Ausführungsform ein
relativ großes Volumen auf, was den durch die Verengung
erzeugten Gegendruck begrenzt.
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Diese Anordnung kann dann interessant sein, wenn eine
derartige Leitung an einem Ort mit kleinen Abmessungen
installiert werden muss, z. B. am Ausgang eines Motors an
bestimmten Fahrzeugen oder an Industriemotoren.
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Eine erfindungsgemäße Einlass- oder Auslassleitung bietet
insbesondere den Vorteil, dass sie nur ein sehr verringertes
Volumen im Vergleich mit Auslassleitungen gemäß dem Stand
der Technik einnimmt.
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Daraus ergibt sich eine Verringerung der Masse, da sich
wegen des Fehlens von Schalldämpfern das Gewicht der
Einlass- oder Auslassleitung im wesentlichen aus dem Gewicht des
Stutzens zusammensetzt.
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Diese Vorteile sind für die Automobilindustrie wesentlich,
das die Positionierung einer erfindungsgemäßen
Auslassleitung und ihre Befestigung unter einem Fahrzeug zu keinen
Volumen- und Masseproblemen mehr führen, wie sie bisher
auftraten.
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Da die erfindungsgemäße Einlass- oder Auslassleitung innen
ausgekleidet ist, weist sie außerdem die folgenden zwei
Vorteile auf:
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- es sind die Gefahren beseitigt, dass die Wand des Stutzens
in Resonanz mit pulsierenden Gasschwingungen gerät;
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- die abgestrahlten Geräusche sind ebenfalls praktisch null,
da einerseits die Außenwand der Einlass- oder Auslassleitung
keinen Gasschwingungen unterliegt und da andererseits die
Emissionsfläche der Einlass- oder Auslassleitung, d.h. ihre
gesamte Außenfläche, beträchtlich gegenüber derjenigen einer
herkömmlichen Auslassleitung verringert ist, die länger ist
und Schalldämpfer aufweist, deren Außendurchmesser erheblich
ist.
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Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung verfügt
die Einlass- oder Auslassleitung über eine Einrichtung zum
Steuern der Verengungseinrichtung, die eine Dämpfung eines
bevorzugten Frequenzbereichs pulsierender Gasschwingungen
hervorruft und dadurch bewirkt, dass die Leitung einen
bestimmten Klang erhält.
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Auf diese Weise kann die "Klangfarbe" der Einlass- oder
Auslassleitung als Funktion des Geräuschs, das erhalten werden
soll, angepasst werden.
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Zum Beispiel kann es der Konstrukteur oder Käufer eines
Kraftfahrzeugs wünschen, dass die Auslassleitung entweder
Geräusche von sportlichem Klang oder stärker gedämpfte
Geräusche abstrahlt.
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Gemäß demselben Ideenbereich kann eine Industrieinstallation
Geräusche mit unangenehmer Tonfärbung ausgeben, die sich aus
Frequenzkombinationen ergibt, die für das menschliche Ohr,
selbst auf relativ schwachem Schallniveau, unangenehm sein
können.
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Dank der erfindungsgemäßen Einlass- oder Auslassleitung
können die zu dämpfenden Frequenzen dadurch ausgewählt werden,
dass die Verengungseinrichtung in zweckdienlicher Weise
gesteuert wird.
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Außerdem integrieren die Einlass- oder Auslassleitung, die
an einem Kraftfahrzeug angebracht ist, und ihre
Verengungseinrichtung, gemäß einer speziellen Ausführungsform der
Erfindung, die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs als
Zusatzparameter, um bei niedriger Fahrzeuggeschwindigkeit die
Auspuffgeräusche des Motors maximal zu dämpfen und um bei hoher
Fahrzeuggeschwindigkeit die Druckverluste des Abgases zur
Verbesserung des Wirkungsgrads des Wärmekraftmotors zu
minimieren.
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Es ist ersichtlich, dass diese Ausführungsform besonders
vorteilhaft ist, um den Geräuschpegel eines Fahrzeugs
anzupassen, das einerseits in der Stadt, und damit mit geringer
Geschwindigkeit, und auch unterwegs oder auf der Autobahn,
d.h. mit hoher Geschwindigkeit, verwendet wird.
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Um die Erfindung besser verständlich zu machen, werden zwei
Ausführungsformen beschrieben, die beispielhaft und ohne
jeden beschränkenden Charakter unter Bezugnahme auf die
beigefügte Zeichnung angegeben werden.
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- Fig. 1 repräsentiert eine Auslassleitung gemäß einer
ersten Ausführungsform der Erfindung;
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- Fig. 2 repräsentiert eine Auslassleitung gemäß dem Stand
der Technik;
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- Fig. 3 repräsentiert eine Auslassleitung gemäß einer
zweiten Ausführungsform der Erfindung;
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- die Fig. 4 bis 6 sind Kurvenbilder, die Unterschiede in
der Wirksamkeit der Geräuschverringerung zwischen den
Auslassleitungen der Fig. 2 und 3 veranschaulichen; und
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- Fig. 7 repräsentiert eine Druckvermessung, wie sie in
einer erfindungsgemäßen Auslassleitung erfolgte.
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Die Wand la des Stutzens 1 besteht aus Metall, und sie weist
eine durchgehend ausgekleidete Oberfläche auf.
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Im Inneren des Stutzens hält ein gitterförmiges Material 1b
mit großen Maschen, wie ein Metallgitter eine Auskleidung 2,
die auf die Wand la des Stutzens 1 aufgetragen ist.
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Beispielsweise wurde eine erfindungsgemäße Auslassleitung
mit einem Außendurchmesser von 95 mm, und einer Gesamtlänge
von 0,60 m hergestellt, die innen mit Steinwolle mit einer
Dicke von 95 mm ausgekleidet war, was einen
Innenströmungsquerschnitt für Auslassgase mit einem Durchmesser von 45 mm
beließ.
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Die Auskleidung 2 ist von einem Ende zum anderen des
Stutzens vorhanden, außer in der Nähe einer
Verengungseinrichtung 3, deren Schließeinrichtung 4 in halbgeschlossener
Position erkennbar ist.
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Ein Steuerungselement 5 steuert die Verengungseinrichtung 3
als Funktion eines Signals, das sie von einem Detektor 6
empfängt, der innerhalb der Wanddicke des Stutzens 1 liegt.
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Die Funktion einer derartigen Verengungseinrichtung ist im
Dokument FR-A-2 613 089 beschrieben.
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Die vom Wärmekraftmotor ausgegebenen pulsierenden Gase
strömen so durch die Auslassleitung, wie es durch den Pfeil 7
angegeben ist.
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Es ist erkennbar, dass die erfindungsgemäße Auslassleitung
gemäß ihrer allgemeinen Form ein geringes Volumen aufweist
und sie eine erheblich verringerte strahlende Oberfläche
aufweist.
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Außerdem ist diese Auslassleitung von Natur aus an jeden
Motortyp anpassbar, wobei die Anpassung der
Verengungseinrichtung einfach auf Grundlage des Regelungsgesetzes
erfolgt, dem sie genügt.
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Aus industriellem Gesichtspunkt bildet dies einen Vorteil,
da ein Hersteller von Auslassleitungen nicht für jeden
vorhandenen Motor eine Auslassleitung erdenken und herstellen
muss.
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In Fig. 2 ist schematisch eine bekannte Auslassleitung
dargestellt. Eine derartige Auslassleitung weist einen Stutzen
8 mit einem Durchmesser von 45 mm auf, der am
Gasauslassstutzen eines Motors 9 angebracht ist.
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Ein Katalysatortopf 10, ein Druckminderungstopf 11 und ein
Schalldämpfer 12 sind aufeinanderfolgend am Stutzen 8 in
Durchlaufrichtung des Auspuffgases angeordnet.
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Eine Auslassleitung gemäß einer zweiten Ausführungsform der
Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt. Diese Auslassleitung
hat dieselbe Länge, wie die oben beschriebene.
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Jedoch ist der Platzbedarf der Auslassleitung von Fig. 3
kleiner als derjenige der Auslassleitung von Fig. 2, da die
Außendurchmesser der Elemente, aus denen sie besteht,
kleiner sind.
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Abgesehen vom Katalysatortopf 10, der dieselbe Funktion wie
oben wahrnimmt, sind der Druckminderungstopf 11 und der
Schalldämpfer 12 gemäß dem Stand der Technik hier durch zwei
Abschnitte 13a und 13b versehen, die an ihren Innenwänden
mit einem absorbierenden Material versehen sind und zu
beiden Seiten einer veränderbaren Verengungseinrichtung liegen,
die aus einer Klappe vom Typ einer Drosselklappe 14 besteht,
die durch ein Stellglied 15 betätigt wird, das selbst durch
eine elektronische Einrichtung 16 angesteuert wird, die die
von zwei Detektoren 17a und 17b ausgegebenen Daten
analysiert, die am Motor 9 bzw. am Stutzen 8, stromabwärts
bezüglich der Klappe 14, liegen.
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Der erste, mit einem absorbierenden Material versehene
Abschnitt 13a besteht aus einer Leitung mit einer Länge von
0,8 m, die innen mit Steinwolle mit einer Dicke von 20 mm
ausgekleidet ist, die durch ein Gitter oder ein perforiertes
Blech mit zylinderform und einem Durchmesser von 45 mm am
Ort gehalten wird.
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Der zweite mit einem absorbierenden Material versehene
Abschnitt 13b hat dieselbe Struktur, jedoch weist er eine
Länge von 0,6 m auf.
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Die zwei Auslassleitungen der Fig. 2 und 3 waren Gegenstand
von Vergleichsversuchen, deren Ergebnisse aus den Fig. 4 bis
6 ersichtlich sind.
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Die Schallklangpegel der Auslassleitungen wurden auf
dieselbe Weise für jede Leitung dadurch gemessen, dass ein vorab
kalibriertes Mikrophon 10 cm entfernt von der
Auslassmündungsebene jeder Auslassleitung und unter 45º zur Achse
derselben angebracht wurde.
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Die Klangpegel, wie sie im Band von 20 bis 20000 Hertz für
Drehzahlen des Motors zwischen 1200 und 3800 Umdrehungen pro
Minute gemessen wurden, ergaben die zwei Kurven von Fig. 4,
wobei die obere Kurve 18 der Auslassleitung von Fig. 2
entspricht und die untere Kurve 19 der Auslassleitung von Fig.
3 entspricht. Aus dieser Fig. 4 ist deutlich erkennbar, dass
die bekannte Auslassleitung unabhängig von der Drehzahl des
Motors 9 deutlich lauter ist als die erfindungsgemäße
Auslassleitung.
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Es wurden ebenfalls die Funktionen der zwei Leitungen der
Fig. 2 und 3 durch die genannte Messtechnik für den
Einfügungsdruckverlust verglichen: für jede Auslassleitung wurden
aufeinanderfolgend die Geräusche, wie sie von einer
Auslassleitung emittiert werden, die mit dem Element versehen ist,
dessen Wirksamkeit gemessen werden soll, und dann die
Geräusche gemessen, wie sie von der genannten Auslassleitung
erzeugt werden, bei der das fragliche Element durch einen
Rohrabschnitt derselben Länge-ersetzt ist. Anschließend
wurden in den Kurvenbildern der Fig. 5 und 6 die Unterschiede
zwischen den ohne das Geräuschverringerungselement
gemessenen Klangpegeln und denen aufgetragen, die mit dem genannten
Element gemessen wurden.
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Die Kurven 20 und 22 entsprechen der Auslassleitung von Fig.
3, während die Kurven 21 und 23 der Auslassleitung von Fig.
2 entsprechen.
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Fig. 5 repräsentiert die in Dezibel ausgedrückten
Bruttomesswerte. Aus dieser Figur ist erkennbar, dass die
Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Auslassleitung derjenigen der
bekannten Auslassleitung ziemlich überlegen ist.
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Um die Empfindlichkeit des menschlichen Ohrs zu
berücksichtigen, wurden die Bruttomesswerte von Fig. 5 durch eine
bekannte Gewichtungstechnik korrigiert, die zu den in Fig. 6
dargestellten Kurven führt, bei denen die Einheit des
Klangpegeis Dezibel A (dB(A)) ist.
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Aus dieser Fig. 6 ist ersichtlich, dass die Differenz
zwischen den Wirksainkeiten der erfindungsgemäßen Auslassleitung
und der bekannten Auslassleitung in allen Betriebsbereichen
des Motors 9 erheblich ist.
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Fig. 7 repräsentiert eine Aufnahme des Drucks, wie in der
Auslassleitung von Fig. 3 mit dem Detektor 17b ausgeführt,
der unmittelbar stromabwärts bezüglich der Klappe 14 liegt.
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Dieser aufgenommene Druck entspricht der Funktion eines 6-
Zylinder-Reihenmotors bei einer Drehzahl von 1300
Umdrehungen pro Minute.
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Jeder Scheitelpunkt der Kurve entspricht der Öffnung der
Auslassventile eines Zylinders.
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Die Kurve von Fig. 7 weist zwei Zyklen auf, wobei jeder
Scheitelpunkt durch eine Zahl von 1 bis 6 numeriert ist, die
der Nummer des entsprechenden Zylinders entspricht.
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Im vorliegenden Fall ist aus dieser Druckaufnahme erkennbar,
dass der Zylinder 3 ein sehr fehlerhaftes Auslassventil
aufweist, da zwischen den Scheitelpunkten kein Druckabfall
vorhanden ist, was einem Auslassverlust beim Druckanstieg im
Zylinder 3 entspricht.
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Es ist auch erkennbar, dass der Zylinder 6 einen
Verbrennungsmangel aufweist, da der Druck der von diesem Zylinder
ausgestoßenen Abgase deutlich niedriger als derjenige der
Zylinder 1 bis 5 ist.
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Obwohl eine derartige Art der Kontrolle der korrekten
Funktion eines Wärmekraftmotors bekannt ist, ermöglicht es die
erfindungsgemäße Auslassleitung, dieses Verfahren in
Echtzeit während der Nutzung des Motors zu realisieren.
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Es ist zu beachten, dass die beschriebenen Ausführungsform
keinerlei beschränkenden Charakter hat.
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Bei einer Variante kann insbesondere eine doppelte Klappe
vorgesehen sein, um das Emissionsvermögen des Stutzens noch
deutlicher zu verringern.
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Außer dass die erfindungsgemäße Einlass- oder Auslassleitung
bei jedem Einlass- oder Auslassstutzen einer
Hubkolbenmaschine anwendbar ist, kann sie in eine Gas- oder
Flüssigkeitsleitung oder eine Leitung für ein Gemisch dieser zwei
Phasen eingefügt werden, wo sie die Geräusche und die
Druckund Durchsatzschwankungen dämpfen kann, wie sie von jeder
Druckwelle erzeugt werden, die sich mehr oder weniger
zufällig oder periodisch durch sie ausbreiten.