DE10043294A1 - Elektromechanischer Wandler, insbesondere für den Einbau in den Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Lautsprecher, insbesondere zur aktiven Beeinflussung des Ansauggeräusches einer Brennkraftmaschine. Der Lautsprecher 10 besitzt eine Masse 12, die durch einen Antrieb 13 in Bewegung versetzt wird. Die Membran des Lautsprechers wirkt dabei als Feder. Zusätzlich ist an der Masse 12 eine Luftfeder 16 angebracht, die sich ortsfest abstützt. Durch Veränderung des Druckes in den Teilvolumina 19 kann die Federsteifigkeit der Luftfeder 16 beeinflusst werden. Hierdurch ist eine Verstimmung des Lautsprechers möglich. Im Anwendungsfall im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine kann bei der Auslegung des Lautsprechers eine geringere Dimensionierung gewählt werden, da durch die Verstimmung des Lautsprechers seine Resonanzfrequenz verschoben werden kann.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Wandler, der insbesondere zur Beein­ flussung des Ansauggeräusches einer Brennkraftmaschine vorgesehen ist, nach der Gat­ tung des Patentanspruches 1. Außerdem betrifft die Erfindung ein Ansaugsystem für eine Brennkraftmaschine, in das der elektromechanische Wandler eingebaut ist, nach der Gat­ tung des Patentanspruches 6.

Die aktive Beeinflussung des Ansauggeräusches einer Brennkraftmaschine, z. B. durch einen Lautsprecher, ist bekannt. Eine mögliche Anordnung zeigt die US 5 321 759. Bei der Anordnung gemäß Fig. 1 dieses Dokumentes interessiert in diesem Zusammenhang der Ansaugtrakt 12, von dem ein Ansauggeräusch 20 abgestrahlt wird. Die Steuerung erhält zumindest ein Drehzahlsignal 44 von der Brennkraftmaschine 10, welches elektronisch verarbeitet wird. Zusätzlich können weitere Größen, wie z. B. die Stellung 18 der Drossel­ klappe 16, mit in den Rechenprozess der elektronischen Steuerung einbezogen werden.

Auf diese Weise lässt sich das Ansauggeräusch der Brennkraftmaschine aktiv beeinflus­ sen. Es kann eine Verringerung des Ansauggeräusches bzw. eine Veränderung der Ge­ räuschcharakteristik erreicht werden. Allerdings ist das Maß der Beeinflussung des An­ sauggeräusches begrenzt durch die Dimensionierung des Lautsprechers. Dabei ist die erreichbare Lautsprecherleistung frequenzabhängig, da der Lautsprecher als solcher ein Feder-Massesystem, bestehend aus der Lautsprechermembran und dem Eisenkern zur Anregung durch eine elektrische Spule, darstellt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen elektromechanischen Wandler zu schaffen, der kostengünstig herstellbar ist, begrenzte Baumaße aufweist und über einen großen Fre­ quenzbereich wirkungsvoll eingesetzt werden kann. Diese Aufgabe wird durch die Merk­ male des Patentanspruches 1 gelöst.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße elektromechanische Wandler ist dadurch gekennzeichnet, dass die Masse des Lautsprechers zusätzlich mit einer Gasfeder verbunden ist, die sich bezogen auf die Masse ortsfest abstützt. Die Gasfeder kann außer mit Luft selbstverständlich auch mit jedem anderen Gas betrieben werden. Wenn also im Folgenden von einer Luftfeder die Rede ist, so ist entsprechend des allgemeinen Sprachgebrauches im technischen Sin­ ne eine Gasfeder gemeint. Die Steifigkeit der Luftfeder ist bezogen auf den Weg, den die Masse zurücklegt, veränderlich. Hierdurch kann eine gezielte Verstimmung des Lautspre­ chers erfolgen, wodurch sich dessen Resonanzfrequenz verschiebt. Im Bereich der Reso­ nanzfrequenz zeigt der elektromechanische Wandler einen besonders hohen Wirkungs­ grad. Daher kann durch Verschiebung der Resonanzfrequenz bei begrenzter Lautspre­ cherleistung bzw. -abmessungen eine optimale Wirkung hinsichtlich der imitierten Schwingungen erreicht werden. Bei einer Verwendung des elektromechanischen Wand­ lers im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine können auf diese Weise die am stärksten störenden Frequenzbereiche, die drehzahlabhängig in ihrer Frequenz variabel sind, ver­ ändert oder vermindert werden.

Das Prinzip der Verstimmung des Lautsprechers kann durch ein einfaches mechanisches Modell beschrieben werden.

Ein Lautsprecher kann im Prinzip als Feder-Masse-Schwinger angesehen werden, bei dem die Schwingspule die oszillierende Masse und die Membran des Lautsprechers eine mechanische Feder darstellt. Diesem System wird zum Beispiel bei Verwendung im An­ saugtrakt einer Brennkraftmaschine zur verbesserten Anpassung des Lautsprechers an die Motordrehzahl eine zweite Feder hinzugefügt, die als Gasfeder ausgebildet ist.

Bei einer Gasfeder wirkt das eingeschlossene Volumen bei Auslenkung der Masse als Feder, die in Ihrer Wirkung zur mechanischen Feder addiert werden kann. Für die resultie­ rende Feder ergibt sich eine gesamte Federkonstante c_ges als Summe der Einzelfederkon­ stanten mit

c_ges = c_mech + c_gas.

Für die Federkonstante einer als isotherm angesehenen Gasfeder gilt die Formel:

mit dem eingeschlossenen Volumen V im Ruhezustand, dem Fülldruck p, dem Kolben­ durchmesser d und der Auslenkung h.

Bei vorgegebener Geometrie kann der Lautsprecher durch Variation des Fülldrucks ver­ stimmt werden. Für Anwendungen in Kfz kann hierzu beispielsweise der Saugrohrunter­ druck genutzt werden. Bei typischen Saugrohrunterdrücken <500 mbar lässt sich die Härte der Gasfeder um einen Faktor <2 beeinflussen.

Für die Resonanzfrequenz eines Feder-Masse-Schwingers der Masse m, der das mecha­ nische Modell für den elektromechanischen Wandler darstellt, gilt:

Die Resonanzfrequenz des Lautsprechers kann somit entsprechend der dargestellten Gleichungen verändert und an die Motordrehzahl angepasst werden. Zusätzliches Poten­ zial verspricht die Variation der geometrischen Variablen V, d und h, so dass bei Bedarf eine Beeinflussung der Resonanzfrequenz zwischen einer halben und einer Größenord­ nung erreichbar ist.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Gasfeder derart ausgeführt, dass das eingeschlossene Volumen V auf beide Seiten des Kolbens verteilt ist. Dies hat den Vorteil, dass sich unabhängig vom Druck, der in den Teilvolumina vorherrscht, die Ruhelage der Masse, bestimmt durch das federnde Element, einstellt. Denkbar ist jedoch auch die Anordnung des eingeschlossenen Volumens auf einer Seite des Kolbens, wobei eine Veränderung des Druckes in diesem Fall zu einer Verschiebung der Ruhelage des elektromechanischen Wandlers führt. Die Ausführung der Gasfeder als zweiseitig wirken­ der Kolben hat jedoch den Vorteil, dass der elektromechanische Wandler unabhängig vom Betriebsdruck der Gasfeder in beide Richtungen mit der gleichen Amplitude ausgelenkt werden kann.

Es ist vorteilhaft, die beiden genannten Teilvolumina der Gasfeder durch eine Ausgleichs­ leitung zu verbinden, welche verschließbar ist. Bei Öffnen der Ausgleichsleitung stellt sich automatisch ein Druckgleichgewicht zwischen den beiden Teilvolumina her, während die Masse in die Ruhelage schwingt. Nach Verschluss der Ausgleichsleitung wirkt die Gasfe­ der in ihrer Eigenschaft als Verstimmung des elektromechanischen Wandlers.

Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Veränderung der Federstei­ figkeit der Gasfeder über ein Getriebe erfolgt, welches die Verstellung der Verhältnisse der Auslenkung der Masse zur Auslenkung des Kolbens bewirkt. Die Wegverhältnisse sind ausschlaggebend für die Federsteifigkeit der Gasfeder bezogen auf die Auslenkung der Masse, da diese einerseits von der wirkenden Federkraft und andererseits von der Aus­ lenkung, die durch die Hebelverhältnisse beeinflusst wird, abhängig ist.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass mindestens eine weitere Luftfe­ der an der Masse angebracht ist, die sich ebenfalls ortsfest abstützt. In ihrer Wirkung ist sie damit parallel geschaltet zu der ersten Luftfeder. Zum Beispiel durch einen entspre­ chenden Ventilmechanismus lässt sich die weitere Luftfeder zu- und abschalten, wodurch die Gesamtfedersteifigkeit der beiden Luftfedern veränderbar ist. Hierdurch lässt sich also eine Verstimmung des Lautsprechers in der bereits beschriebenen Form erreichen. Im Falle der Verwendung des elektromechanischen Wandlers im Ansaugtrakt der Brenn­ kraftmaschine kann so auch bei begrenzten Druckschwankungen ein sprunghafter Wech­ sel der Federsteifigkeit bewirkt werden.

Wie schon erwähnt, kann der elektromechanische Wandler vorteilhaft in das Ansaugsys­ tem für eine Brennkraftmaschine integriert werden. Eine Verwendung des elektromechani­ schen Wandlers im Abgastrakt einer Brennkraftmaschine ist allerdings genauso möglich. Diese Maßnahme zielt auf eine aktive Beeinflussung des Ansauggeräusches. Dieses kann bei Auftreten von Frequenzen mit hohem Geräuschpegel zur Verminderung von deren Amplituden verwendet werden. Eine andere Möglichkeit ist die Veränderung des Ansaug­ geräusches, um eine in der menschlichen Wahrnehmung angenehmere Geräuschcharak­ teristik zu erzielen.

Gemäß einer besonders günstigen Variante der Erfindung kann zur Erzeugung eines Un­ terdrucks in der Gasfeder das Saugsystem selbst verwandt werden. Insbesondere im Saugrohr des Saugsystems liegt bei Betriebszuständen mit ganz oder teilweise geschlos­ sener Drosselklappe ein Unterdruck vor, der zur Veränderung des Druckes in dem Volu­ men der Gasfeder verwendet werden kann. Weitere Druckquellen zur Veränderung des Druckes in der Gasfeder sind daher nicht notwendig, wodurch vorteilhafterweise Kompo­ nenten eingespart werden können, die die Wirtschaftlichkeit der erfindungsgemäßen Aus­ gestaltung des elektromechanischen Wandlers beeinträchtigen würden.

Eine andere Variante der Erfindung sieht vor, dass die Luftfeder mit einem Anschluss ver­ bunden ist, der zu einer Druckquelle führt. Diese Druckquelle kann im Verhältnis zum At­ mosphärendruck sowohl als Unterdruck- oder als Überdruckspeicher ausgeführt sein. Bei der Verwendung des elektromechanischen Wandlers in einer Brennkraftmaschine stehen im Kraftfahrzeug verschiedene Druckquellen zur Verfügung. Zum Beispiel kann als Unter­ druckquelle der Bremskraftverstärker genutzt werden. Weiterhin ist die Nutzung eines Kompressors zur Erzeugung eines Überdrucks denkbar. Bei LKW oder Bussen sind fast immer Druckluftsysteme z. B. für die Bremsen vorgesehen, welche als Druckquelle für eine Verstimmung des elektromechanischen Wandlers genutzt werden können. Selbstver­ ständlich kann auch eine gesonderte Druckquelle für die Gasfeder vorgesehen werden.

Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und der Zeichnung hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinatio­ nen bei der Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.

Zeichnung

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden in der Zeichnung anhand von schematischen Ausführungsbeispielen beschrieben. Hierbei zeigen

Fig. 1 den schematischen Aufbau eines als Lautsprecher ausgeführten elektrome­ chanischen Wandlers mit Gasfeder,

Fig. 2 schematisch die Anordnung eines Lautsprechers im Ansaugtrakt einer Brenn­ kraftmaschine,

Fig. 3 einen Lautsprecher, der ein Getriebe zur Veränderung der Federsteifigkeit der Gasfeder aufweist und

Fig. 4 einen Lautsprecher mit zwei Gasfedern, wobei die eine Gasfeder an den Druckspeicher eines Druckluftsystems angeschlossen ist.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Ein Lautsprecher 10 gemäß Fig. 1 besteht aus einer Membran 11 als federndes Element, an der eine Masse 12 befestigt ist, die zusammen mit einer Spule 13 den Antrieb des Lautsprechers bildet. Die Spule kann mit Hilfe einer elektrischen Energiequelle 14 ange­ regt werden, was zu einer Schwingung der Masse 12 in Richtung des angedeuteten Dop­ pelpfeiles führt. Die Membran 11 ist ortsfest eingespannt, was durch Schraffuren 15 ange­ deutet ist. Derartige Schraffuren sind in Fig. 1 sowie in den folgenden Figuren zur An­ deutung von ortsfester Befestigung von Bauteilen verwendet.

Die Masse 12 ist mit einer Luftfeder 16 gekoppelt, welche sich ebenfalls ortsfest abstützt. Dadurch führen die durch die Masse 12 ausgeführten Schwingungen zu einer Relativbe­ wegung eines Kolbens 17 in einem Zylinder 18 der Luftfeder. Bei der Bewegung des Kol­ bens 17 verändern sich die beiden Teilvolumina 19, wodurch eine Rückstellkraft der Luft­ feder entsteht.

Die Teilvolumina 19 besitzen Druckanschlüsse 20, über die der in den Teilvolumina herr­ schende Druck verändert werden kann. Wird ein Dreiwegeventil 21 geöffnet, so kann eine Veränderung des in der Luftfeder vorliegenden Druckes über eine Speiseleitung 22 und eine Ausgleichsleitung 23 erfolgen. Nach Verschluss des Dreiwegeventils 21 kann ein Druckausgleich zwischen den Teilvolumina 19 über die Ausgleichsleitung 23 herbeigeführt werden. Damit die Luftfeder ihre Wirkung entfalten kann, muss in der Ausgleichsleitung ein Sperrventil 24 geschlossen werden. Sofern der Lautsprecher 10 nicht betätigt wird, kann über die Ausgleichsleitung bei geöffnetem Sperrventil ein Druckausgleich zwischen den Teilvolumina 19 eingestellt werden, wobei sich dieses Druckgleichgewicht dann genau in der Ruhelage des Lautsprechers 10 befindet.

Druckleitungen 25 führen von dem Dreiwegeventil 21 zu verschiedenen Druckquellen, mit deren Hilfe eine Veränderung des in der Luftfeder vorliegenden Druckes herbei geführt werden kann. Dabei kann auch die Umgebung als Druckquelle angesehen werden, wobei sich bei Anschluss dieser Druckleitung in der Luftfeder der atmosphärische Druck einstellt.

In Fig. 2 ist eine Brennkraftmaschine 26 schematisch dargestellt. Diese besitzt einen An­ saugtrakt 27 mit einer Drosselklappe 28 und einer Abgasanlage 29. Die Richtung der An­ saugluft sowie des Abgases ist durch Pfeile angedeutet.

Im Ansaugtrakt ist weiterhin der Lautsprecher 10 angeordnet. An einem Ansaugstutzen 30 ist ein Mikrofon 31 angebracht. Weiterhin ist eine Steuerung 32 vorgesehen, der ein durch das Mikrofon 31 aufgenommenes Istgeräuschsignal I sowie ein der Brennkraftmaschine 26 abgenommenes Drehzahlsignal D zugeführt wird. Hierzu ist ein Drehzahlsensor 33 vorge­ sehen. Auch ist die Messung des Drosselklappenwinkels mit Hilfe eines Lagesensors 34 möglich. Diese erzeugt einen weiteren Parameter P, der ebenfalls durch die Steuerung 32 verarbeitet werden kann.

Die Steuerung 32 erzeugt ein Steuersignal A_ges, welches von dem Lautsprecher 10 in ein Korrekturgeräusch 35 umgesetzt wird. Dieses wird dem Ansauggeräusch 36 überlagert, woraus sich ein Istgeräusch 37 ergibt. Dieses kann durch das Mikrofon 31 überprüft wer­ den und entspricht dem gewünschten Ansauggeräusch der Brennkraftmaschine. Die ge­ naue Funktion des beschriebenen Ansaugtraktes ist der deutschen Anmeldung mit dem Aktenzeichen 199 49 685 zu entnehmen.

Der Luftdruck in der Luftfeder 16 wird mit Hilfe eines Drucksensors 38 ermittelt. Das so erzeugte Luftdrucksignal L wird ebenfalls durch die Steuerung verarbeitet. Auf diese Weise kann die Ansteuerung des Lautsprechers 10 in Abhängigkeit von dessen Verstimmung durch die Luftfeder 16 erfolgen. Die Steuerung kann dabei z. B. eine Näherung für die Ge­ samtfedersteifigkeit des Lautsprechers entsprechend der bereits angegebenen Formel ermitteln. Eine andere Möglichkeit ist die Hinterlegung eines geeigneten Kennfeldes in der Steuerung in Abhängigkeit vom gemessenen Luftdruck in der Luftfeder 16.

Die Luftfeder 16, die im Ansaugtrakt gemäß Fig. 2 zum Einsatz kommt, ist durch einen einseitig wirkenden Zylinder gebildet. Dadurch besitzt diese nur die Speiseleitung 22 und keine Ausgleichsleitung. Bei Veränderung des Luftdrucks in der Luftfeder wird eine Ver­ schiebung der Nullage des Lautsprechers hingenommen.

Die Druckleitungen 25 führen einerseits in die Umgebung, andererseits in einen Sammel­ raum 39 eines Saugrohrs 40. Durch Verschlussorgane 41 kann der Druck, der in der Luft­ feder vorliegt, zwischen dem Atmosphärendruck und dem aktuell im Saugrohr anliegenden Unterdruck eingestellt werden. Eine Überwachung der Luftfeder 16 durch den Drucksensor 38 ist dabei nicht unbedingt erforderlich. Grundsätzlich ist auch ein selbst regelendes System denkbar, da die Verstimmung des Lautsprechers auf Grund der Druckverhältnisse zumindest im Leerlauf der Brennkraftmaschine und bei hohen Drehzahlen der erforderlich Anpassung der Resonanzfrequenz des Lautsprechers entspricht. Diese beiden Drehzahl­ bereiche der Brennkraftmaschine sind besonders geeignet, um eine Korrektur des An­ sauggeräusches vorzunehmen. Im Leerlauf sind auch sonstige Geräusche der Brenn­ kraftmaschine gering, so dass eine Verminderung des Ansauggeräusches sofort wahrge­ nommen wird. In hohen Drehzahlbereich steigt das Ansauggeräusch der Brennkraftma­ schine stark an, weswegen eine Verminderung durch den Lautsprecher gewünscht ist.

Die Steuerung 32 ist als Digitalrechner ausgelegt. Daher muss die Ansteuerung des Laut­ sprechers 10 über einen Digital-Analogwandler 42 und einen Verstärker 43 erfolgen.

In Fig. 3 ist die Möglichkeit einer mechanischen Verstellung der Federsteifigkeit der Luft­ feder 16 gezeigt. An die Masse 12 des Lautsprechers 10 ist eine Hebelstange 44 mit ei­ nem Ende gelenkig gelagert. Das andere Ende ist ortsfest gelagert. Die Luftfeder, die sich ebenfalls einseitig ortsfest abstützt, weist auf der anderen Seite eine axial verschiebbare Aufhängung 45 an der Hebelstange 44 auf. Durch Änderung der Hebelverhältnisse an der Hebelstange 44 ändert sich gleichzeitig die effektive Federsteifigkeit der Luftfeder bezogen auf den Weg der Masse 12.

Zuletzt ist in Fig. 4 ein Lautsprecher 10 dargestellt, dessen Masse 12 mit zwei Luftfedern 16 und 16a ausgestattet ist. Die Luftfeder 16 entspricht der bereits beschriebenen Luftfe­ der in Fig. 1. Sie ist mit den entsprechenden Ventilen und Leitungen versehen, wobei eine Zuordnung gemäß Fig. 1 durch die entsprechenden Bezugszeichen möglich ist. Al­ lerdings ist das Dreiwegeventil 21 durch mehrere Verschlussorgane 41a ersetzt. Zwei der Druckleitungen sind an eine Druckquelle 46, die im Ausführungsbeispiel als Druckspeicher ausgeführt ist, angeschlossen. Die Druckquelle bildet einen Teil eines Druckluftsystems, an das ein weiterer Verbraucher 47 angeschlossen ist.

Die weitere Luftfeder 16a weist lediglich einen Anschluss 48 mit einem Verschlussorgan 41 auf, mit dessen Hilfe das durch den Luftfilter eingeschlossene Volumen mit der Umge­ bung verbunden werden kann. Bei geöffnetem Verschlussorgan 41 ist somit die Wirkung der Luftfeder 16a außer Kraft gesetzt. Hierdurch ergibt sich eine Zuschaltungsmöglichkeit der Luftfilter 16a zur Luftfeder 16.

Claims (9)

1. Elektromechanischer Wandler, insbesondere Lautsprecher (10) zur aktiven Beeinflus­ sung des Ansauggeräusches einer Brennkraftmaschine, enthaltend ein federndes Element, insbesondere eine Membran (11), eine schwingfähig am federnden Element befestigte Masse (12) und einen Antrieb, insbesondere eine elektrische Spule (13), dadurch gekennzeichnet, dass die Masse (12) mit einer Luftfeder (16, 16a) mit ver­ änderbarer Steifigkeit verbunden ist, die sich bezogen auf die Masse ortsfest abstützt.

2. Elektromechanischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasfeder einen Kolben (17) aufweist, der beidseitig mit je einem Teilvolumen (19) ver­ sehen ist, wobei die Volumina je einen Druckanschluss (20) aufweisen.

3. Elektromechanischer Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Duckanschlüsse (20) mit einer verschließbaren Ausgleichsleitung (23) verbunden sind.

4. Elektromechanischer Wandler nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, dass ein Getriebe zur Verstellung des Verhältnisses der Auslenkung der Masse (12) zur Auslenkung des Kolbens (17) vorgesehen ist.

5. Elektromechanischer Wandler nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, dass eine weitere Luftfeder (16a) an der Masse (12) angebracht ist, die sich ebenfalls ortsfest abstützt und zu der ersten Luftfeder (16) zu- und abschaltbar ausgeführt ist.

6. Ansaugsystem für eine Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektromechanischer Wandler gemäß einem der vorherigen Ansprüche zur aktiven Be­ einflussung des Ansauggeräusches eingebaut ist.

7. Ansaugsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftfeder (16, 16a) mit einem Anschluss zur Erzeugung eines Unterdruckes verbunden ist, der zu ei­ nem Leitungsabschnitt des Saugsystems, insbesondere eines im Saugsystem enthal­ tenen Saugrohres (40) führt.

8. Ansaugsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftfeder (16, 16a) mit einem Anschluss verbunden ist, der zu einer Druckquelle (46) führt.

9. Ansaugsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckquelle (46) gleichzeitig mindestens einen weiteren Verbraucher (47) versorgt.