DE10055399A1

DE10055399A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Beeinflussung des Schalls im Ansaugtrakt einer Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE10055399A1
Application number: DE10055399A
Authority: DE
Inventors: Rolf Fueser; Olaf Weber
Original assignee: Filterwerk Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Mann and Hummel GmbH
Priority date: 1999-11-20
Filing date: 2000-11-09
Publication date: 2001-05-23
Also published as: EP1101929B1; DE50006582D1; EP1101929A2; EP1101929A3; ATE267955T1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beeinflussung des Schalls im Ansaugtrakt eines Verbrennungsmotors, bei dem die einen Saugpuls verursachenden Betriebszustände im Ansaugtrakt (3) und/oder am Verbrennungsmotor (3) erfasst werden und der Schall durch eine Beeinflussung des Luftstroms (9) im Ansaugtrakt (3) vermindert wird. Die Beeinflussung des Luftstroms (9) wird durch einen zumindest teilweisen Verschluss des Strömungskanals im Ansaugtrakt (3) zu vorgegebenen, periodisch wiederkehrenden Zeiten bewirkt, in denen kein oder ein geringer Luftmassentransport im Strömungskanal stattfindet. Mit einem Steuerprogramm wird ein Steuersignal zur Amplituden- und Phasensteuerung hinsichtlich des Verschließens und Öffnens des Durchströmungsquerschnitts des Ansaugtraktes (3) zumindest in Abhängigkeit von der Drehzahl des Verbrennungsmotors (1) erzeugt.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beeinflussung des Schalls im Ansaugtrakt eines Verbrennungsmotors, insbesondere hinsichtlich der Ge räuschdämpfung oder -verhinderung, nach der Gattung des Verfahrens- und des Vorrichtungsanspruchs.

Bei Hubkolben-Verbrennungsmotoren werden üblicherweise einige Maßnahmen ergriffen, mit denen insbesondere die Ansauggeräusche im Luftansaugsystem des Verbrennungsmo tors vermindert werden können. In der Regel werden hier starre Systeme angewandt, wie z. B. Nebenschluss-Resona toren oder Abzweigrohre, die einen hohen mechanischen Aufwand und ein relativ großes Bauvolumen erfordern.

Es ist aus der DE 196 10 292 A1 eine Vorrichtung bekannt, bei dem die Schallverhältnisse des schallführenden Ka nals, z. B. des Ansaugtrakts eines Verbrennungsmotors, er fasst und gezielt im Hinblick auf eine Geräuschdämpfung hin beeinflusst werden. Hierzu werden einige Motordaten, wie z. B. die Kurbelwellenstellung, die Luftmenge im An saugtrakt, die Stellung der Drosselklappe und ein Rest schall am Ausgang des Ansaugtraktes mit geeigneten Detek toren erfasst. In einer Steuerungseinheit können nun die se Daten ausgewertet werden. Die Steuerungseinheit er zeugt ein Signal für einen Lautsprecher im Ansaugtrakt, hier im Bereich des Luftfilters, der damit derart ange regt wird, dass der resultierende Restschall gemindert wird.

Der Lautsprecher stellt bei der bekannten Anordnung eine schwingende Wand dar, mit der in gewissen Grenzen ein Ge räusch, im Prinzip mit Antilärm auslöschbar ist. Hierbei können die zuvor erwähnten, von der Geräuschquelle her rührenden Signale eine Vorausberechnung der Schallwellen ermöglichen. Eine solche aktive Beeinflussung eines Schallereignisses mit einer Lautsprechermembran als e lektro-akustischer Wandler ist insofern nachteilig, da diese Membran in ihrer Kraft begrenzt und nicht zu einer eingeprägten, rückwirkungsfreien Schwingung fähig ist, die vom Schallereignis nicht beeinflusst wird.

Aufgabenstellung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beeinflussung des Schalls im An saugtrakt eines Verbrennungsmotors zu schaffen, bei dem auf einfache Weise eine weitgehend rückwirkungsfreie Schallverminderung oder -auslöschung möglich ist.

Vorteile der Erfindung

Ausgehend von einer Beeinflussung des Schalls im Ansaug trakt eines Verbrennungsmotors nach der eingangs angege benen Art, bei dem die einen Saugpuls verursachenden Be triebszustände im Ansaugtrakt und/oder am Verbrennungsmo tor erfasst werden und der Schall durch eine Beeinflus sung der akustischen Verhältnisse im Ansaugtrakt vermin dert ist, wird die gestellte Aufgabe mit den kennzeich nenden Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Erfindungsge mäß erfolgt die Beeinflussung des Luftstromes durch einen zumindest teilweisen Verschluss des Strömungskanals im Ansaugtrakt. Dies geschieht zu vorgegebenen, im wesentli chen periodisch wiederkehrenden Zeiten, in denen kein oder ein geringer Luftmassentransport im Strömungskanal stattfindet.

In vorteilhafter Weise wird hierbei die Fläche des Durch strömungsquerschnitts des Ansaugtrakts entsprechend des vom Verbrennungsmotor angesaugten Luftmassenstroms ange passt. Mit einem Steuerprogramm ist auf einfache Weise ein Steuersignal zur Amplituden- und Phasensteuerung hin sichtlich des Verschließens und Öffnens des Durchströ mungsquerschnitts des Ansaugtraktes zumindest in Abhän gigkeit von der Drehzahl des Verbrennungsmotors, aber auch in Abhängigkeit von weiteren Größen, erzeugbar.

Das Verschließen und Öffnen erfolgt hierbei mit einer ge eigneten ersten Frequenz und die Schwingweiten über den halben und den viertel Durchströmungsquerschnitt des An saugtraktes werden in vorteilhafter Weise mit Vielfachen dieser ersten Frequenz gewählt. Das Steuerprogramm kann weiterhin auf einfache Weise eine Verschiebung der Null lage der Schwingungen des Luftmassenstroms mit der Ände rung der Drehzahl berücksichtigen. Besonders im Volllast betrieb des Verbrennungsmotors sind in der Tendenz auch die Pulsationsamplitude und der Luftmassenstrom mit der Motordrehzahl monoton steigend, so dass auch die Nulllage der Schwingauslenkung eingestellt werden muss.

Die direkte Form der Ansteuerung des zuvor beschriebenen geräuschlosen Wandlers wäre die Eingabe von Daten aus ei nem Kennfeld, das alle akustischen Ereignisse abdeckt. Dazu müssten eine Fülle von Werten abgelegt sein, die ei nen elektronischen Speicher sehr aufwendig machen würde. Eine reine Regelung verlangt zwar den geringsten Spei cherdatenumfang ist aber zeitkritisch. In vorteilhafter Weise kann erfindungsgemäß die Beeinflussung des Schalls derart durchgeführt werden, dass die Daten des Verbren nungsmotors und des Ansaugtraktes unter Zugrundelegung eines zuvor ermittelten akustischen Modells für die schallführenden Teile auswertet werden und damit das Steuerprogramm ausgeführt wird.

Mit der Erzeugung eines akustischen Modells, wie es für sich gesehen aus der DE 197 52 142 A1 bekannt ist, können diese Nachteile für die Gewinnung eines akustischen Lö schungssignals im allgemeinen uns somit auch in diesem Fall vermieden werden. Das abgespeicherte Rechenmodell der schallführenden Teile reagiert auf alle erforderli chen Eingaben wie dem Drehpuls des Verbrennungsmotors, der Drosselklappenstellung und der Lufttemperatur im An saugtrakt mit einem Ausgangssignal, das der Schallab strahlung der unbeeinflussten Anlage entspricht.

Dieses Ausgangssignal steht dank der hohen möglichen Re chengeschwindigkeit rechtzeitig zur Verfügung und kann entweder die Form eines periodischen Zeitsignals oder die Form einer Liste der komplexen Zahlen des Frequenzberei ches haben. In jeder dieser Formen kann es zur Bestimmung des Löschungssignales eingesetzt werden. Die Abweichung des Mikrofonsignals vom Löschungsziel kann durch eine Verfeinerung und Anpassung des akustischen Modells gering gehalten werden. Vorteilhaft ist hier, dass der Regel kreis nur wenig beansprucht wird und der Datenspeicheraufwand im Vergleich zum Aufwand für ein Kennfeld ge ring ist.

Mit einer vorteilhaften Vorrichtung zur Durchführung des zuvor angegebenen Verfahrens wird im Ansaugtrakt ein in Amplitude und Phasenlage steuerbares, rückwirkungsfreies Stellelement angeordnet, mit dem die Schallereignisse be einflussbar sind. Eine solche Methode der Geräuschvermin derung oder auch -verhinderung mit nur einem Bauteil ist im Ansaugtrakt eines Verbrennungsmotors durchführbar, da das Geräuschereignis nur längs eines Kanalsystems auf tritt und daher auch nur ein Einwirkungsort erforderlich ist.

Mittels der Steuersignale, die im Bereich der Geräusch quelle Verbrennungsmotor und der angeschlossenen Ansaug bauteile erfasst sind, lässt sich über ein entsprechendes Steuerprogramm in einer Steuereinrichtung das Stellele ment derart führen, dass es schwingend auf die vom Verbrennungsmotor herkommende Schallwelle einwirkt ohne den Luftmassenstrom wesentlich zu behindern. Die Amplitu de und die Phasenlage der Bewegung des Stellgliedes wird für die verschiedenen Einzeltöne des Motorgeräuschs dabei so eingestellt, dass möglichst immer eine Löschung ein tritt und somit die Schallwelle an der Ausbreitung gehin dert wird.

Die möglichen Gestaltungsformen der Stellelemente müssen dabei eine möglichst große Anpassungsfähigkeit zur Steue rung des Durchströmungsquerschnitts im Ansaugtrakt, ent sprechend des aktuellen vom Verbrennungsmotor angesaugten Luftstroms, aufweisen. Somit können die Schwingwellenamp lituden des Stellgliedes in vorteilhafter Weise zur Ver minderung des Geräuschs im Ansaugtrakt wirksam werden.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der er findungsgemäßen Vorrichtung ist das Stellelement in vor teilhafter Weise eine ein- oder mehrachsige Klappe, die durch Rotation um mindestens eine Achse zwischen einem Verschluss und einer Freigabe des Durchströmungsquer schnitts steuerbar ist.

Vorteilhaft kann auch eine Ausführungsform sein. Bei der das Stellelement ein quer zur Strömungsrichtung bewegter Kolben, Schieber oder eine ähnliche Vorrichtung ist, die durch eine Bewegung in Hubrichtung zwischen einem Ver schluss und einer Freigabe des Durchströmungsquerschnitts steuerbar ist.

Weiterhin besteht in vorteilhafter Weise die Möglichkeit, dass das Stellelement eine Irisblende ist, die durch eine entsprechende Führung der Blendlamellen zwischen einem Verschluss und einer Freigabe des Durchströmungsquer schnitts steuerbar ist.

Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildun gen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehre ren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungs form der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausfüh rungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrich tung zur Beeinflussung des Schalls in einem Ansaugtrakt eines Verbrennungsmotors wird anhand der Figur der Zeich nung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze mit einem schematisch dargestelltem Verbrennungsmotor, einem Ansaugtrakt und einer Steuereinheit für ein Stellglied zur Be einflussung des Schalls;

Fig. 2 eine Detailskizze des Stellgliedes in Form einer drehbaren Klappe;

Fig. 3 ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs der Saugströmung im Ansaugtrakt;

Fig. 4 eine Vektordarstellung der harmonischen An teile des Schalls im Ansaugtrakt in einer komplexen Ebene und

Fig. 5 eine Darstellung der Einhüllenden der Schei telwerte des Volumenstromes der Saugströmung im An saugtrakt.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist schematisch im Block 1 ein Verbrennungsmo tor angedeutet, bei dem beispielsweise die Kurbelwellen stellung und -drehgeschwindigkeit mit in herkömmlicher Weise aufgebauten Detektionsmitteln 2 erfasst wird. Über einen Ansaugtrakt 3 wird die zur Verbrennung im Motor 1 notwendige Luft mit durch die Hubkolbenbewegung des Verbrennungsmotors 1 bewirkten Saugimpulsen angesaugt. Der hierdurch verursachte Luftmassenstrom wird mit einem Luftmassensensor 4 insbesondere hinsichtlich des zeitli chen Verlaufs erfasst.

Im Strömungskanal des Ansaugtraktes 3 nach der Fig. 1 ist ein Stellglied 5 vorhanden, das im gezeigten Ausfüh rungsbeispiel eine gemäß Pfeil 6 rotierende Klappe ist. Die Stellung der Klappe 5 kann hier mit einem Sensor 7 erfasst werden, wobei für den Fall, dass die Klappe 5 mit einem Schrittmotor angetrieben wird, dieser Sensor 7 auch entfallen kann. Weiterhin ist eine Steuereinheit 10 vor handen, bei der an einem Eingang 11 das Signal der Kur belwellenstellung, an einem Eingang 12 das Ausgangssignal des Luftmassensensors 4, an einem Eingang 13 das Signal des Stellgliedsensors 7 und an einem Ausgang 14 das Steu ersignal für die drehbare Klappe 5 anliegt.

Bei der Darstellung nach Fig. 2 ist die Klappe 5 im De tail in verschiedenen Drehstellungen im Ansaugtrakt 3 ge zeigt. Die Stellung 5.1 zeigt eine vollständig geöffnete Klappe 5, die Stellung 5.2 eine halb geöffnete Klappe 5 und die Stellung 5.3 eine geschlossenen Klappe 5. Der Luftmassenstrom nach den Pfeilen 9 kann hier weitgehend, wie weiter unten erläutert, die Klappe 5 passieren, je doch werden Schallwellen 15, die das von den Saugpulsen verursachte Motorgeräusch darstellen, an der Klappe mit tels einer geeigneten, zeitlich gesteuerten Klappensteue rung an der weiteren Ausbreitung zumindest gehindert.

Mittels der Steuersignale am Ausgang 14 der Steuereinheit 10 wird über ein Steuerprogramm die Rotation der Klappe 5 derart geführt, dass es schwingend auf die vom Verbren nungsmotor herkommende Schallwelle 15 einwirkt ohne den Luftmassenstrom 9 wesentlich zu behindern. Die Amplitude und die Phasenlage der Bewegung der Klappe 5 wird für die verschiedenen Einzeltöne des Motorgeräuschs dabei so ein gestellt, dass möglichst immer eine Löschung eintritt und somit die Schallwelle 15 an der Ausbreitung gehindert wird.

Zur Erläuterung der akustischen Bedingungen im Ansaug trakt und der Einwirkungsmöglichkeiten sind in Fig. 3 bis 4 einige Diagramme gezeigt, die die Struktur der Schallwellen 15 zeigen.

Die Fig. 3 zeigt ein Zeitsignal 20 in einem sinnvollen Zeitsignal-Zyklus T, das von der Motordrehzahl abhängt. Die im Zeitsignal enthaltende dominierende Schwingung hat die Frequenz der von den Zylindern des Verbrennungsmotors 1 ausgehenden Pulsation des Luftmassenstroms 9. Die ande ren überlagerten Schwingungen sind hierbei zwar schwächer, jedoch haben auch sie eine zu berücksichtigende a kustische Bedeutung. In der Fig. 4 sind in einem komple xen Vektordiagramm mit dem Imaginäranteil auf der Senk rechten und dem Realanteil auf der Waagerechten die erste harmonische Oberwelle 21, die zweite harmonische Oberwel le 22, die dritte harmonische Oberwelle 23 und die vierte harmonische Oberwelle 24 gezeigt. Es ist hieraus erkenn bar, dass insbesondere die vierte harmonische Oberwelle 24 einen erheblichen Anteil am Motorgeräusch aufweist.

Im Diagramm nach der Fig. 5 ist der Pulsationsvolu menstrom +/-V über der Motordrehzahl U/min aufgezeich net, wobei hier insbesondere der Pulsationsvolumenstrom, der durch die vierte harmonische Oberwelle 24 hervorgeru fen ist zwischen den Linien 30 und der Pulsationsvolu menstrom, der das Gesamtereignis unter Einschluss des schraffierten Bereichs darstellt, zwischen den Linien 31 gezeigt ist. Es ist hier außerdem erkennbar, dass die Schwingungen jeweils nur bei einer Motordrehzahl eine feste Nulllage aufweisen und dass die Nulllage der Schwingungen mit steigender Drehzahl ansteigt. Es können hierbei diverse, durch gestrichelte Linien 32 angedeutete Resonanzen auftreten, die den Schwingungsausschlag beim Erreichen bestimmter Frequenzen um ein mehrfaches anstei gen lassen können.

Für das Steuersignal zur Amplituden- und Phasensteuerung der Klappe 5 am Ausgang 14 der Steuereinheit 10 ergeben sich mit dem zuvor gesagten eine Reihe von Randbedingun gen, die mit einem geeigneten Steuerprogramm berücksich tigt werden können. Beispielsweise soll das Verschließen und Öffnen der Klappe 5 mit einer geeigneten ersten Fre quenz erfolgen und die Schwingweiten über den halben und den viertel Querschnitt des Ansaugtraktes 3 mit Vielfa chen dieser ersten Frequenz. Eine geeignete Steuerung bei realistischen Motordrehzahlen kann z. B. mit einer ersten Frequenz von 100 Hz zum Verschließen und Öffnen, einer zweiten Frequenz von 200 Hz für die Schwingweite über den halben Querschnitt und einer dritten Frequenz von 400 bis 800 Hz für die Schwingweite über ein Viertel des Quer schnitts erfolgen.

Die anhand der Fig. 5 erwähnte Verschiebung der Nulllage der Schwingungen des Saugpulses kann mit einem entspre chenden Nulllagenversatz mit der Änderung der Motordreh zahl vorgenommen werden. Die erforderliche Kenngrößen zur Bearbeitung im Steuerprogramm der Steuereinheit 10 ste hen, wie anhand der Fig. 1 beschrieben, zur Verfügung, wobei im Prinzip im Falle der Hinterlegung von Ereignis daten in Form von Kennfeldern auch nur die Erfassung und Verarbeitung der Motordrehzahl hier zu befriedigenden Er gebnissen führt.

Claims

1. Verfahren zur Beeinflussung des Schalls im Ansaugtrakt eines Verbrennungsmotors, bei dem

- die einen Saugpuls verursachenden Betriebszustände im Ansaugtrakt (3) und/oder am Verbrennungsmotor (3) er fasst werden und der Schall durch eine Beeinflussung der akustischen Verhältnisse im Ansaugtrakt (3) ver mindert wird, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Beeinflussung des Schalls durch einen zumindest teilweisen Verschluss des Strömungskanals im Ansaug trakt (3) zu vorgegebenen, periodisch wiederkehrenden Zeiten erfolgt, in denen kein oder ein geringer Luft massentransport im Strömungskanal stattfindet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

- entsprechend des vom Verbrennungsmotor (1) angesaug ten Luftmassenstroms die Fläche des Durchströmungs querschnitts des Ansaugtrakts (3) angepasst wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, dass

- mit einem Steuerprogramm ein Steuersignal zur Ampli tuden- und Phasensteuerung hinsichtlich des Ver schließens und Öffnens des Durchströmungsquerschnitts des Ansaugtraktes (3) zumindest in Abhängigkeit von der Drehzahl des Verbrennungsmotors (1) erzeugt wird, wobei
- das Verschließen und Öffnen mit einer geeigneten ers ten Frequenz erfolgt und die Schwingweiten über den halben und den viertel Durchströmungsquerschnitt des Ansaugtraktes (3) mit Vielfachen dieser ersten Fre quenz erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass

- das Steuerprogramm zur Amplituden- und Phasensteue rung hinsichtlich des Verschließens und Öffnens des Durchströmungsquerschnitts eine Verschiebung der Nul lage der Schwingungen des Luftmassenstroms mit der Änderung der Drehzahl des Verbrennungsmotors (1) be rücksichtigt.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich net, dass

- das Steuerprogramm das Verschließen und Öffnen des Durchströmungsquerschnitts derart steuert, dass eine erste Frequenz von 100 Hz zum Verschließen und Öffnen des Durchströmungsquerschnitts, eine zweite Frequenz von 200 Hz für die Schwingweite über den halben Quer schnitt und eine dritte Frequenz von 400 bis 800 Hz für die Schwingweite über ein Viertel des Quer schnitts erzeugt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

- die Beeinflussung des Schalls derart durchgeführt wird, dass die Daten des Verbrennungsmotors und des Ansaugtraktes unter Zugrundelegung eines zuvor ermit telten akustischen Modells für die schallführenden Teile auswertet werden und damit das Steuerprogramm ausgeführt wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

- im Ansaugtrakt (3) ein in Amplitude und Phasenlage steuerbares, rückwirkungsfreies Stellelement (5) vor handen ist, mit dem der Luftmassenstrom (9) beein flussbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass

- das Stellelement eine ein- oder mehrachsige Klappe (5) ist, die durch Rotation um mindestens eine Achse zwischen einem Verschluss und einer Freigabe des Durchströmungsquerschnitts steuerbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass

- das Stellelement ein quer zur Strömungsrichtung be wegter Kolben, Schieber oder ähnliche Vorrichtung äst, die durch eine Bewegung in Hubrichtung zwischen einem Verschluss und einer Freigabe des Durchströ mungsquerschnitts steuerbar ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass

- das Stellelement eine Irisblende ist, die durch eine entsprechende Führung der Blendlamellen zwischen ei nem Verschluss und einer Freigabe des Durchströmungs querschnitts steuerbar ist.