DE10044604A1 - Verfahren zum Erzeugen eines an harmonischen Frequenzen reichen, sportlich klingenden Ansaug- und/oder Auspuffgeräusches bei Viertaktmotoren - Google Patents

Verfahren zum Erzeugen eines an harmonischen Frequenzen reichen, sportlich klingenden Ansaug- und/oder Auspuffgeräusches bei Viertaktmotoren

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Abstract

Um bei Viertaktmotoren (1), denen ein Ansaugsystem (5) und/oder eine Abgasanlage (7) zugeordnet ist, ein an harmonischen Frequenzen reiches, sportlich klingendes Ansaug- und/oder Auspuffgeräusch erzeugen zu können, wird die Öffnungscharakteristik wenigstens eines Einlassventils (3.11) bzw. wenigstens eines Auslassventils (4.11) gegenüber der Öffnungscharakteristik der übrigen Ventile verändert.

Description

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zum Erzeugen eines an harmonischen Frequenzen reichen, sportlich klingenden Ansaug- und/oder Auspuffgeräusches bei Viertaktmotoren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es ist bekannt, dass Kraftfahrzeuge, die mit Sechs-, Acht- oder Zwölfzylindermotoren ausgerüstet sind, ein Auspuffgeräusch erzeugen, welches der Kunde ins besonders sportlich bezeichnet. Es ist des weiteren bekannt, dass Kraftfahrzeuge, die beispielsweise mit einem Vierzylindermotor ausgerüstet sind, ein solches sportliches Auspuffgeräusch nicht erzeugen. Da es aus Kosten- und sonstigen Gründen nicht möglich ist, jedes sportliche Kraftfahrzeug mit einem Sechs-, Acht- oder Zwölfzylindermotor auszurüsten, hat es nicht an Versuchen gefehlt, die Abgasanlage von Kraftfahrzeugen mit Motoren, die weniger als sechs Zylinder haben, insbesondere mit Vierzylindermotoren, so zu verändern, dass sie ein sportliches Geräusch erzeugen. Die Mehrzahl dieser Maßnahmen läuft jedoch darauf hinaus, nur die Amplitude des Mündungsgeräusches bei kleinen Drehzahlen und insbesondere im Leerlauf zu erhöhen, indem Teile des Abgasschalldämpfers akustisch abgeschaltet werden. Durch diese Maßnahmen wird das Auspuffgeräusch zwar lauter, entspricht jedoch nach wie vor nicht dem bekannten und beliebten Auspuffgeräusch von Sechs-, Acht- und Zwölfzylindermotoren.
Verbrennungsmotoren erzeugen nicht nur Auspuffgeräusche, sondern auch Ansauggeräusche. Diese werden bei für den normalen Straßengebrauch bestimmten Fahrzeugen mit einem Ansaugschalldämpfer gedämpft, der nach dem gleichen Prinzip aufgebaut ist wie die Auspuffschalldämpfer. Manche Sportfahrzeuge haben daher auch Ansaugschalldämpfer, die sportliche Ansauggeräusche erzeugen. Bei vielen Fahrern von Serienfahrzeugen besteht nun der Wunsch nach einem solchen sportlichen Ansauggeräusch. Die bekannten Maßnahmen führen jedoch auch im Ansaugbereich nur dazu, dass das Ansauggeräusch lauter wird, jedoch nach wie vor nicht dem bekannten und beliebten Ansauggeräusch von Sechs-, Acht- und Zwölfzylindermotoren entspricht.
Analysiert man die Auspuffgeräusche von z. B. Vierzylindermotoren, so stellt man fest, dass darin die zweite, vierte, sechste, achte usw. Harmonische der durch die Motordrehzahl bestimmten Grundfrequenz enthalten sind. Analysiert man in der gleichen Weise die Auspuffgeräusche von Sechs-, Acht- und Zwölfzylindermotoren, so stellt man fest, dass darin auch die erste, dritte, fünfte, siebte usw. Harmonische, je nach Motortyp auch die 0,5te, 1,5te, 2,5te usw. Harmonische enthalten sind. Diese durch die höhere Zylinderzahl erzeugten ungeradzahligen und/oder nicht-ganzzahligen Harmonischen fehlen bei einem Vierzylindermotor beispielsweise völlig.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dessen Hilfe es möglich ist, auch bei Viertaktmotoren mit geringer Zylinderzahl ein an harmonischen Frequenzen reiches, sogenanntes sportliches Ansaug- und/oder Auspuffgeräusch zu erzeugen, natürlich möglichst ohne die Summenamplitude der Geräusche zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem Prinzip, das bei den herkömmlichen Motoren gleichförmige Schallereignis, vorgegeben durch die gleichförmige und gleichbleibende Ventilsteuerung insbesondere bei Verwendung einer mechanischen Nockenwelle, in ein ungleichförmiges Schallereignis zu verändern, indem die Öffnungscharakteristik wenigstens eines Eingangsventils und/oder eines Ausgangsventils gegenüber der Öffnungscharakteristik der anderen entsprechenden Ventile verändert wird. Durch die veränderte Ventilsteuerung erzeugt dann der wenigstens eine Zylinder ein gegenüber den identischen und regelmäßigen Schallereignissen der anderen Zylinder verändertes Schallereignis, welches die im Frequenzspektrum fehlenden oder pegelschwach ausgeprägten ungeradzahligen und/oder nicht-ganzzahligen Harmonischen erzeugt. Dabei ist von besonderem Vorteil, dass hierfür die Schallenergie verwendet wird, die der Verbrennungsmotor sowieso erzeugt.
Aufgrund der Tatsache, dass der Verbrennungsmotor nur eine bestimmte Motorleistung und damit auch nur eine bestimmte Schalleistung erzeugt, so dass der Summenpegel aller harmonischen Frequenzen praktisch unverändert bleibt, werden beim Ansteigen der Amplitude der nicht-geradzahligen und der nicht-ganzzahligen Harmonischen die Amplituden der bisher allein vorhandenen anderen Harmonischen entsprechend abgesenkt. Dank dieser gegensinnigen Auswirkung auf die Amplituden der verschiedenen Harmonischen ergeben sich schon bei geringen Eingriffen in die Ventilsteuerung des Viertaktmotors deutlich hörbare akustische Veränderungen des Klangbildes.
Gemäß vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung lassen sich der Öffnungszeitpunkt, die Öffnungsdauer, der Öffnungshub und/oder die Öffnungskurve bzw. die Schließkurve des wenigstens einen Ventils verändern.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird die Öffnungscharakteristik eines Ventils nur jedes zweite oder dritte oder vierte usw. Mal verändert.
Es versteht sich, dass eine solche, von der Gleichförmigkeit abweichende Öffnungscharakteristik eines oder mehrerer Ventile eine besondere Ventilsteuerung voraussetzt. Aus diesem Grunde wird vorgeschlagen, die Ventile mit der veränderten Öffnungscharakteristik mit Hilfe einer elektrodynamischen Steuerung zu betätigen.
Die Erzeugung der zusätzlichen ungeradzahligen bzw. nicht-ganzzahligen Harmonischen lässt sich durch weitere Maßnahmen je nach Wunsch verstärken oder abschwächen. Gemäß einer ersten Weiterbildung der Erfindung werden Länge und/oder Querschnitt wenigstens eines der Rohre, mit denen die Verbrennungsluft dem Motor zugeführt bzw. die Abgase vom Motor abgeführt werden, gegenüber Länge und/oder Querschnitt der anderen Rohre verändert. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Schallereignisse, die durch die veränderten Rohre geleitet werden, den Ansaug- bzw. Auspuff Schalldämpfer früher oder später erreichen, so dass den gleichförmigen und regelmäßigen Schallsignalen wieder ein verändertes Schallsignal überlagert wird, welches zur Bildung der gewünschten ungeradzahligen bzw. nicht-ganzzahligen Harmonischen führt.
Gemäß einer Alternative hierzu lässt sich das gleiche Ergebnis auch dadurch erreichen, dass an wenigstens eines der Rohre ein Resonator angekoppelt wird.
Gemäß einer dritten Variante wird zum selben Zweck in wenigstens eines der Rohre eine Düse, eine Blende, ein Ventil oder ein anderer strömungsaktiver Körper eingebaut.
Anhand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1 bis Fig. 23 die Pegeländerungen verschiedener geradzahliger, ungeradzahliger und nicht-ganzzahliger Harmonischen zu der durch die Motordrehzahl vorgegebenen Grundfrequenz bei nachfolgend näher definierten Veränderungen der Öffnungscharakteristik eines bzw. zweier Auslassventile/s und
Fig. 24 rein schematisch einen Viertakt-Vierzylinder-Verbrennungsmotor mit Ansaugsystem, Abgasanlage und den entsprechenden gasführenden Rohren.
Fig. 24 zeigt rein schematisch einen Viertaktmotor 1 mit vier Zylindern 2.1, . . . 2.4, wobei jedem Zylinder zwei Einlassventile 3.11, . . . 3.42 und zwei Auslassventile 4.11, . . . 4.42 zugeordnet sind. Die Verbrennungsluft wird dem Motor 1 über ein Ansaugsystem 5 und Gaseinlassrohre 6.1, . . . 6.4 zugeführt. Das im Motor 1 erzeugte Abgas wird über vier Krümmerrohre 8.1, . . . 8.4 einer Abgasanlage 7 zugeführt, hinter der die Abgase in die Umgebung austreten. Dort ist ein akustischer Sensor S angeordnet, mit dem die in den Fig. 1 bis 23 dargestellten Analysen der Auspuffgeräusche durchgeführt wurden.
Das Ergebnis dieser Auspuffgeräuschanalyse ist in den Fig. 1 bis 23 für die 0,5te Harmonische H0,5, die 1,0te Harmonische H1,0, die 1,5te Harmonische H1,5, die 2,0te Harmonische H2,0, die 2,5te Harmonische H2,5, die 3,0te Harmonische H3,0, die 3,5te Harmonische H3,5, die 4,0te Harmonische H4,0 und den Summenpegel (OA) der durch die Motordrehzahl vorgegebenen Grundfrequenz dargestellt. Dabei wurden an einem Vierzylinder- Sechzehnventil-Viertakt-Verbrennungsmotor 1 die nachfolgend beschriebenen Messreihen durchgeführt.
Die Geräuschmessung erfolgte an einem Motor 1 mit symmetrischem Aufbau. Alle Ansaugrohre 6.1, 6.2, 6.3, 6.4 sind gleich lang und haben den gleichen Durchmesser. Alle Krümmerrohre 8.1, 8.2, 8.3, 8.4 sind ebenfalls gleich lang und als Vier-in-Eins-Zusammenführung ausgeführt.
Messreihe 0
Alle Einlassventile 3.11, 3.12, 3.21, 3.22, 3.31, 3.32, 3.41, 3.42 und Auslassventile 4.11, 4.12, 4.21, 4.22, 4.31, 4.32, 4.41, 4.42 haben untereinander identische Öffnungscharakteristiken. Die sich dabei ergebenden drehzahlabhängigen Pegelkurven der Harmonischen sind in den Diagrammen mit "a0" bezeichnet.
Messreihe 1
Für die Messreihe 1 wurde der Öffnungszeitpunkt des Auslassventils 4.11 des ersten Zylinders 2.1 um 5° vorverlegt. Die Öffnungsdauer wurde nicht verändert. Die Messkurven sind in den Diagrammen mit "a1" bezeichnet.
Messreihe 2
Für die Messreihe 2 wurden die Öffnungszeitpunkte beider Auslassventile 4.11 und 4.12 des ersten Zylinders 2.1 um 5° vorverlegt. Die Öffnungsdauer wurde nicht verändert. Die Messkurven sind in den Diagrammen mit "a2" bezeichnet.
Messreihe 3
Für die Messreihe 3 wurden die Öffnungszeitpunkte beider Auslassventile 4.11, 4.12, 4.21, 4.22 des ersten und zweiten Zylinders 2.1, 2.2 um 5° vorverlegt. Die Öffnungsdauer wurde nicht verändert. Die Messkurven sind in den Diagrammen mit "a3" bezeichnet.
Messreihe 5
Für die Messreihe 5 wurden die Öffnungszeitpunkte beider Auslassventile 4.11, 4.12 des ersten Zylinders 2.1 um 10° vorverlegt. Die Öffnungsdauer wurde um 5° verlängert. Die Messkurven sind in den Diagrammen mit "a5" bezeichnet.
Messreihe 6
Für die Messreihe 6 wurden die Öffnungszeitpunkte beider Auslassventile 4.11, 4.12, des ersten Zylinders 2.1 um 10° vorverlegt. Die Öffnungsdauer wurde um 10° verlängert. Die Messkurven sind in den Diagrammen mit "a6" bezeichnet.
Messreihe 7
Für die Messreihe 7 wurden die Öffnungskennlinien beider Auslassventile 4.11, 4.12 des ersten Zylinders 2.1 verändert. Öffnungsdauer und Öffnungszeitpunkt wurden nicht verändert. Die Messkurven sind in den Diagrammen mit "a7" bezeichnet.
Messreihe 8
Für die Messreihe 8 wurden die Öffnungszeitpunkte beider Auslassventile 4.11, 4.12, 4.21, 4.22 des ersten und zweiten Zylinders 2.1, 2.2 um 10° vorverlegt. Die Öffnungsdauer wurde nicht verändert. Die Messkurven sind in den Diagrammen mit "a8" bezeichnet.
Messreihe 9
Für die Messreihe 9 wurden die Öffnungszeitpunkte beider Auslassventile 4.11, 4.12, 4.21, 4.22 des ersten und zweiten Zylinders 2.1, 2.2 um 10° vorverlegt. Die Öffnungsdauer wurde um 10° verlängert. Die Messkurven sind in den Diagrammen mit "a9" bezeichnet.
Messreihe 10
Für die Messreihe 10 wurden die Öffnungszeitpunkte beider Auslassventile 4.11 und 4.12 des ersten Zylinders 2.1 um 5° zurückverlegt. Die Öffnungsdauer wurde nicht verändert. Die Messkurven sind in den Diagrammen mit "a10" bezeichnet.
Messreihe 11
Für die Messreihe 11 wurden die Öffnungszeitpunkte beider Auslassventile 4.11, 4.12, 4.21, 4.22 des ersten und zweiten Zylinders 2.1, 2.2 um 5° vorverlegt. Die Öffnungsdauer wurde um 5° verlängert. Die Messkurven sind in den Diagrammen mit "a11" bezeichnet.
Messreihe 12
Für die Messreihe 12 wurden die Öffnungszeitpunkte beider Auslassventile 4.11, 4.12, 4.21, 4.22 des ersten und zweiten Zylinders 2.1, 2.2 um 10° vorverlegt. Die Öffnungsdauer wurde nicht verändert. Die Messkurven sind in den Diagrammen mit "a12" bezeichnet.
Die Fig. 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17 lassen erkennen, wie die Pegel der jeweiligen Harmonischen sich ausgehend von der Kurve 0 verändern, wenn die zuvor beschriebenen Änderungen an der Öffnungscharakteristik (Zeit) der beiden Auslassventile 4.11, 4.12 des ersten Zylinders 2.1 durchgeführt werden. Der größte Anstieg des Pegels wird bei Messreihe 8 erreicht. Hier beträgt die Pegeländerung (Verstärkung) im Mittel über den Drehzahlbereich und alle Harmonischen ca. 31 dB. Einzelne Harmonische erfahren eine Verstärkung bis zu 50 dB.
Die Fig. 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18 lassen erkennen, wie die Pegel der jeweiligen Harmonischen sich ausgehend von der Kurve 0 verändern, wenn die zuvor beschriebenen Änderungen an der Öffnungscharakteristik (Zeit) der Auslassventile 4.11, 4.12, 4.21, 4.22 der ersten zwei Zylinder 2.1, 2.2 durchgeführt werden. Der größte Anstieg des Pegels wird bei Messreihe 12 erreicht. Hier beträgt die Pegeländerung (Verstärkung) im Mittel über den Drehzahlbereich und alle Harmonischen ca. 24 dB. Einzelne Harmonische erfahren eine Verstärkung bis zu 50 dB.
Bei allen Modifikationen der Messreihen 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 11, 12 erkennt man in Fig. 17 und 18 keine Verstärkung des Summenpegels. Dessen Änderungen sind kleiner 1 dB.
Bei allen Modifikationen der Messreihen 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 11, 12 erkennt man in Fig. 7, 8, 15, 16 keine Verstärkung der Harmonischen H2 und der Harmonischen H4.
Die durch die geänderten Öffnungszeiten der Ventile erreichten Frequenz- und Pegeländerungen gehen auf folgende physikalischen Ursachen zurück.
Viertaktmotoren haben eine Periodizität von 720° gemäß dem Viertakt-Ablauf " Ansaugen, Verdichten, Verbrennen, Ausstoßen". Während dieses 720° Winkels öffnen und schließen sich die Einlass- und Auslassventile gleichmäßig. Es gibt keine Unterschiede zwischen den Zylindern. Dadurch ergibt sich bei einem Achtzylindermotor eine Periodizität der Schallereignisse von 720° geteilt durch 8 = 90°, bei einem Sechszylindermotor eine Periodizität von 720° geteilt durch 6 = 120°, bei einem Fünfzylindermotor eine Periodizität von 720° geteilt durch 5 = 144°, bei einem Vierzylindermotor eine Periodizität von 720° geteilt durch 4 = 180°, bei einem Dreizylindermotor eine Periodizität von 720° geteilt durch 3 = 240° und bei einem Zweizylindermotor eine Periodizität von 720° geteilt durch 2 = 360°.
Wird die Öffnungscharakteristik eines Ventils verändert, so werden Periodizität und ggf. Phase der Schallereignisse verändert. Man kann auch sagen, dass dem regelmäßigen Schallereignis ein zusätzliches Schallereignis anderer Periodizität überlagert wird. Wird nur ein Zylinder verändert, hat das überlagerte Schallereignis eine Periodizität von 720°. Werden zwei Ventile verändert, so werden dem regelmäßigen Schallereignis zwei zusätzliche Schallereignisse überlagert, so dass sich weitere Interferenzen ergeben, die bei passender Ventilsteuerung zur Bildung weiterer nicht-ganzzahliger Harmonischer führen.
Verändert man die Öffnungscharakteristik des Ventils nur bei jedem zweiten, dritten, vierten usw. Mal, so entstehen weitere Zusatzfrequenzen und Phasenverschiebungen, die ebenfalls zur Ausbildung zusätzlicher Harmonischer führen.
In allen Messreihen wurde zur Bildung der Harmonischen nur die vom Motor 1 erzeugte Schallleistung verwendet, so dass sich zusätzliche energieverschlingende Maßnahmen wie Lautsprecher, Umschaltventile usw. völlig erübrigen.

Claims (12)

1. Verfahren zum Erzeugen eines an harmonischen Frequenzen reichen, sportlich klingenden Ansaug- und/oder Auspuffgeräusches bei Viertaktmotoren (1), denen ein Ansaugsystem (5) und/oder eine Abgasanlage (7) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungscharakteristik wenigstens eines Einlassventils (3.11) und/oder wenigstens eines Auslassventils (4.11) gegenüber der Öffnungscharakteristik der übrigen Ventile (3.12, 3.21, 3.22, 3.31, 3.32, 3.41, 3.42, 4.12, 4.21, 4.22, 4.31, 4.32, 4.41, 4.42) verändert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungszeitpunkt wenigstens eines Ventils (3.11, 4.11) verändert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungsdauer wenigstens eines Ventils (3.11, 4.11) verändert wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungshub wenigstens eines Ventils (3.11, 4.11) verändert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungskurve und/oder die Schließkurve wenigstens eines Ventils (3.11, 4.11) verändert wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungscharakteristik eines Ventils (3.11, 4.11) nur jedes zweite oder dritte oder vierte usw. Mal verändert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrodynamische Ventilsteuerung verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Länge und/oder Querschnitt wenigstens eines der Rohre (6.1; 8.1), mit denen die Verbrennungsluft dem Motor (1) zugeführt bzw. die Abgase vom Motor (1) abgeführt werden, gegenüber Länge und/oder Querschnitt der parallelen anderen Rohre (6.2, 6.3, 6.4; 8.2, 8.3, 8.4) verändert wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass an wenigstens eines der Rohre (6.1; 8.1), mit denen die Verbrennungsluft dem Motor (1) zugeführt bzw. die Abgase vom Motor (1) abgeführt werden, ein Resonator angekoppelt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens eines der Rohre (6.1, 8.1), mit denen die Verbrennungsluft dem Motor (1) zugeführt bzw. die Abgase vom Motor (1) abgeführt werden, eine Düse, eine Blende, ein Ventil oder ein anderer strömungsaktiver Körper eingebaut wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderungen der Öffnungscharakteristik nur in bestimmten Drehzahlbereichen aktiviert werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderungen der Öffnungscharakteristik nur in bestimmten Lastbereichen aktiviert werden.
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