DE10161874A1

DE10161874A1 - Schallübertragungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10161874A1
Application number: DE2001161874
Authority: DE
Inventors: Sven Pfoertsch
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2001-12-14
Filing date: 2001-12-14
Publication date: 2003-06-26

Abstract

Schallübertragungsvorrichtung (1) für eine Brennkraftmaschine, bestehend aus einem Hohlkörper (2) mit zumindest einer Membran (3), der über zumindest ein Rohr (4) mit einem Saugtrakt (5) der Brennkraftmaschine akustisch in Wirkverbindung steht, wobei die Membran (3) durch Luftdruckschwankungen im Saugtrakt (5) zu Schwingungen anregbar ist und wobei die Brennkraftmaschine aufgeladen und die Membran (3) derart gehalten ist, dass sie ab einem definierten mittleren Überdruck im Saugtrakt (5) schwingfähig ist. DOLLAR A Die erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Schallübertragungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine erlaubt eine einstellbare last- bzw. drehzahlabhängige Ansauggeräuschverstärkung für aufgeladene Brennkraftmaschinen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schallübertragungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine gemäß der Merkmale im Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Sie geht aus von der deutschen Offenlegungsschrift DE 199 22 216 A1. In dieser ist eine Vorrichtung zur gezielten Schallübertragung von einem Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges zu einem Innenraum des Kraftfahrzeuges beschrieben. Diese Vorrichtung besteht im Wesentlichen aus einem hohlen Übertragungskörper, der eingangsseitig mit dem Ansaugtrakt verbunden ist und ausgangsseitig Schall in Richtung zum Fahrzeuginnenraum abstrahlt. Zur Verbesserung der Schallabstrahlleistung einer derartigen Vorrichtung weist der Übertragungskörper einen Leitungsabschnitt mit einem Leitungsquerschnitt und einem Kammerabschnitt mit einem Kammerquerschnitt auf. Der Kammerquerschnitt ist größer als der Leitungsquerschnitt, wobei der Leitungsquerschnitt eingangsseitig mit dem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine verbunden ist und ausgangsseitig in die Eingangsseite des Kammerabschnittes mündet. Die Ausgangsseite des Kammerabschnittes, die eine Membran ist, strahlt den Schall zum Fahrzeuginnenraum ab. Mit der genannten Schallübertragungsvorrichtung ist es möglich, die Ansauggeräusche der Brennkraftmaschine frequenzselektiv zu verstärken und in den Fahrzeuginnenraum weiterzuleiten. Ab dem Moment, in dem die Brennkraftmaschine, im Falle eines sogenannten Saugmotors, gestartet ist, baut sich im Ansaugtrakt durch die Androsselung mit einer Drosselklappe ein betriebspunktabhängiger mittlerer Unterdruck auf. Da der Ladungswechsel der Brennkraftmaschine zeitlich betrachtet kein kontinuierlicher Vorgang ist, werden in dem Saugtrakt zu dem anliegenden mittleren Unterdruck zusätzlich Luftdruckschwankungen generiert. Diese Luftdruckschwankungen, die sogenannten Ansauggeräusche, regen die Membran zum Schwingen an, wodurch der Schall übertragen wird. Um eine frequenzselektive Schallübertragung zu erreichen, sind der Leitungsabschnitt und der Kammerabschnitt als Helmholtz-Resonatoren ausgelegt.
Da schwingfähige Systeme, hier die Membran in Verbindung mit dem vorgelagerten Helmholtz-Resonator, definierte Resonanzfrequenzen aufweisen, kann es vorkommen, dass bei bestimmten Lastzuständen der Brennkraftmaschine und im Schubbetrieb nicht gewünschte Frequenzen verstärkt werden und somit als unangenehme Geräuschquelle an den Fahrgast-Innenraum weitergeleitet werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schallübertragungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine darzustellen, die nicht über das gesamte Drehzahlband der Brennkraftmaschine die im Saugtrakt anliegenden Luftdruckschwankungen verstärkt und als Schallquelle an den Fahrgast-Innenraum weiterleitet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
Wie allgemein bekannt ist, befindet sich im Saugtrakt einer aufgeladenen Brennkraftmaschine abhängig von der Motorlast und/oder Drehzahl ein Luftüberdruck gegenüber dem Umgebungsluftdruck, um den Füllgrad der Zylinder mit Frischgas zu verbessern. Das bedeutet, dass in den Saugtrakt mindestens die Menge Frischgas durch eine Ladepumpe gefördert werden muss, die von der Brennkraftmaschine abgesaugt wird. Bei diesem Ladevorgang werden insbesondere bei niedrigen Drehzahlen, im Bereich des Leerlaufes, zu höheren Drehzahlen hin abnehmend, diese Luftdruckschwankungen durch den Ladevorgang gedämpft, während gleichzeitig der mittlere Luftüberdruck im Saugtrakt mit steigender Drehzahl erhöht wird. Die schwachen Luftdruckschwankungen im unteren Lastbereich können für den Fahrer des Kraftfahrzeugs unangenehm, d. h. subjektiv nicht passend zum momentanen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine sein. Überlagert werden diese Luftdruckpulsationen, durch von der Ladepumpe erzeugte Luftdruckpulsationen, die möglichst nicht verstärkt und weitergeleitet werden sollen. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Schallübertragungsvorrichtung wird in vorteilhafter Weise ein beliebiger Drehzahlbereich ab der Leerlaufdrehzahl von der Verstärkung und Weiterleitung ausblendbar, wodurch nur die Ansauggeräusche in den Drehzahlbereichen verstärkt werden, die von dem Fahrer als angenehm empfunden werden. Das lastabhängige akustische "feed back" der Brennkraftmaschine ist somit für aufgeladene Brennkraftmaschinen möglich.
In vorteilhafter Weise lässt sich gemäß einer Ausführung nach Patentanspruch 2, abhängig von der räumlichen Lage des Halteelementes, das Lösen der Membran von dem Halteelement zu beliebigen mittleren Überdrucken im Saugtrakt einstellen. Der Beginn der Schallverstärkung und -übertragung ist somit in Abhängigkeit von dem im Saugtrakt anliegenden mittleren Luftüberdruck einstellbar.
Durch die Ausgestaltung nach den Patentansprüchen 4 und 5 ist das Halteelement in den Hohlkörper der Schallübertragungsvorrichtung einbaubar, wodurch vor allem Bauraum eingespart wird. Ferner gibt es insbesondere nach einer Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 5 praktisch keine akustisch dämpfenden Elemente (keine Vergrößerung des Strömungswiderstandes), die die ohnehin schwachen Luftdruckpulsationen bei einer aufgeladenen Brennkraftmaschine weiterhin dämpfen würden.
Gemäß Patentanspruch 6 wird ein "hartes" Abheben der Membran von dem Halteelement vermieden, wodurch besonders die beim Abheben der Membran von dem Halteelement entstehenden Flattergeräusche unterdrückt werden. Darüber hinaus setzt die Membran durch das Dämpfungselement beim Abheben langsam zum Schwingen ein, wodurch ein abrupter Anstieg des Lautstärkepegels vermieden wird. Der Fahrer erfährt somit einen weichen Übergang von dem nicht schallübertragenden Drehzahlbereich zum schallübertragenden Drehzahlbereich, wodurch die akustische Adaption an den momentanen Motorbetriebspunkt weicher vonstatten geht.
Die Ausgestaltung nach Patentanspruch 7 gestattet eine einlassventilnahe Anordnung der Schallübertragungseinrichtung an den Saugtrakt. Da in diesem Bereich die Luftdruckpulsationen im Saugtrakt am stärksten sind, kann die Schallverstärkung durch die Schallübertragungsvorrichtung schwächer ausgelegt werden. Eine geringere Verstärkung bedeutet wiederum eine kleine Bauweise, und somit gewonnener Bauraum für beispielsweise andere Nebenantriebsaggregate der Brennkraftmaschine.
Die Materialauswahl gemäß Patentanspruch 8 erlaubt die bestmögliche Membranauswahl für den Einsatz für verschiedene Brennkraftmaschinentypen in unterschiedlichen Fahrzeugen. Eine an die physiologischen Höreigenschaften angepasste akustische Verstärkung ist ebenfalls möglich.
Die Anordnung der Schallübertragungsvorrichtung gemäß Patentanspruch 9 erlaubt eine weitere nachgeschaltete frequenzbandselektive Filterung, sowie die Anhebung bestimmter Frequenzbereiche. Eine akustische Optimierung ist durch diese Maßnahme möglich.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles in einer einzigen Figur näher erläutert.
Fig. 1 zeigt einen schematisch stark vereinfachten Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Schallübertragungselement 1. Dieses besteht im Wesentlichen aus einem Hohlkörper 2, der auf einer Seite von einer Membran 3 verschlossen ist und auf der, der Membran gegenüberliegenden Seite über ein Rohr 4 mit einem Saugtrakt 5 einer Brennkraftmaschine 8 verbunden ist. An einem Ende des Saugtrakts 5 ist eine Ladepumpe 9 und am anderen Ende des Saugtrakts 5 ist stromab der Ladepumpe 9 die Brennkraftmaschine 8 angeordnet. In dem Hohlkörper 2 ist ein Käfig 7, der auf der, dem Saugtrakt 5 zugewandten Seite im Hohlkörper 2 befestigt ist. An dem Käfig 7 ist an einem der Membran 3 zugewandten Ende ein Halteelement 6 befestigt. Die Membran 3 liegt bei stillstehender Brennkraftmaschine sowie im Drehzahlbereich des Leerlaufs und im Schubbetrieb auf dem Halteelement 6 auf. Der Drehzahlbereich des Leerlaufs erstreckt sich vom Leerlauf bis ca. 3000 1/min. Schubbetrieb bedeutet, dass das Kraftfahrzeug rollt und die Brennkraftmaschine geschleppt wird.
Im Einzelnen ist die Ladepumpe 9 in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ein durch einen Abgasturbolader angetriebener Verdichter. Der Saugtrakt 5 umfasst sämtliche gasführenden Bauelemente zwischen der Ladepumpe 9 und einem nicht näher dargestellten Zylinderkopf der Brennkraftmaschine 8. Die Brennkraftmaschine 8 ist eine gemischverdichtende, fremdgezündete Brennkraftmaschine. Das Rohr 4 in Verbindung mit dem Hohlkörper 2 bilden gemeinsam einen Helmholtz-Resonator. Dieser Helmholtz-Resonator ist definiert durch das Volumen V_R des Rohrs 4 sowie dessen Länge L_R und dessen Strömungsquerschnitt A_R. Der Hohlkörper 2 ist durch sein Volumen V_H, sowie seiner Tiefe T_H und seiner Querschnittsfläche A_H definiert. Darüber hinaus ist der Käfig 7, durch seinen Durchmesser D_K sowie seine Länge L_K in seinem Flächenquerschnitt A_K definiert. Die Membran 3 ist durch ihre schallabstrahlende Fläche A_M sowie ihrer Stärke t_M und ihrer Steifigkeit c_M bestimmt. Die Steifigkeit c_M kann im Falle einer harten Membran auch durch die Weichheit ihrer Einspannung definiert sein. Als letztes schallbeeinflussendes Element ist das Halteelement 6 durch seine Querschnittsfläche A_HE, seine Stärke t_HE sowie der Steifigkeit c_HE und der Dämpfung D_HE bestimmt.
Bei Stillstand der Brennkraftmaschine 8 herrscht sowohl im Saugtrakt 5 als auch im Hohlkörper 2 der Umgebungsluftdruck. Wird die Brennkraftmaschine 8 gestartet, so werden die nicht dargestellten Einlassventile periodisch geöffnet und die ebenfalls nicht dargestellten Kolben saugen periodisch Luft aus dem Saugtrakt 5 ab. Hierdurch entstehen Luftdruckpulsationen (Luftdruckschwankungen), die von dem Schallübertragungselement 1 verstärkt und in Richtung Fahrgast-Innenraum weitergeleitet werden. Da die Brennkraftmaschine 8 über eine Ladepumpe 9 verfügt, wird ständig Luft in den Saugtrakt 5 nachgepumpt. Gleich nach einem Start der Brennkraftmaschine 8 entstehen relativ starke Luftdruckschwankungen im Saugtrakt 5. Durch das sofortige Nachpumpen von Luft wird diese Luftdruckschwankung jedoch wesentlich verringert. Die nur noch schwachen Luftdruckschwankungen sowie die durch die Ladepumpe 9 generierten Luftdruckschwankungen würden von einem Schallübertragungselement 1 mit freistehender Membran 3 verstärkt und an den Fahrgast-Innenraum weitergeleitet werden. Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung liegt jedoch die Membran 3 auf dem Halteelement 6 auf und wird bei diesem Betriebszustand am Schwingen gehindert. Hierdurch werden ungewünschte Frequenzen im unteren Drehzahlbereich nicht verstärkt. Steigen jedoch Drehzahl und/oder Last der Brennkraftmaschine an, so liefert die Ladepumpe 9 einen immer größeren Luft-Volumenstrom in den Saugtrakt 5. Durch dieses kontinuierliche Nachliefern von Luft wird im Saugtrakt 5 ein mittlerer Überdruck gegenüber dem Umgebungsluftdruck aufgebaut. Dieser mittlere (tiefpassgefilterte) Überdruck unterliegt ebenfalls Druckluftschwankungen, die jedoch immer unterhalb der halben Brennkraftmaschinendrehzahl liegen. Werden Drehzahl und/oder Last der Brennkraftmaschine weiter erhöht, steigt auch der mittlere Luftdruck im Saugtrakt 5 gegenüber dem Umgebungsluftdruck weiter an.
Ab einer bestimmten Drehzahl (über ca. 1000 1/min) und/oder Last, wird im Saugtrakt 5 ein definierter mittlerer Überdruck erreicht. Ab diesem definierten mittleren Überdruck wird die Membran 3 von dem Halteelement 6 wegdrückt. Steigt der mittlere Überdruck noch weiter an, so löst sich die Membran 3 vollständig von dem Halteelement 6 und kann frei schwingen und gibt Schallwellen in dem Frequenzbereich an seine Umgebung ab, für den der vorgeschaltete Hemholtz-Resonator akustisch transparent ist.
Da das Halteelement 6 im Ausführungsbeispiel aus einem weichen, stark dämpfenden Material besteht, findet ein weicher Übergang vom Nichtschwingen der Membran 3 zum Schwingen statt. Durch diese Maßnahme werden unerwünschte Geräusche im Übergangsbereich zwischen dem Lösen der Membran 3 von dem Haltelement 6 zum freien Schwingen soweit gedämpft, dass sie nicht verstärkt und weitergeleitet werden. Außerdem wird ein "weicheres" Einsetzen der akustischen Verstärkung ermöglicht, d. h. ein schlagartig einsetzendes Geräusch wird vermieden.
Wird die Brennkraftmaschine Schubbetrieb (es wird keine Last von der Brennkraftmaschine angefordert) betrieben, bildet sich im Saugtrakt 5 ein leichter Unterdruck aus. Hierdurch legt sich die Membran 3 wieder auf das Halteelement 6 auf und es werden im Schubbetrieb keine ungewollten Luftdruckpulsationen verstärkt. Somit ist das Schallübertragungselement 1 bei Drehzahlen und/oder Lasten, bei denen der mittlere Überdruck im Saugtrakt 5 unter einem definierten mittleren Überdruck liegt, inaktiv und ungewünschte Luftdruckschwankungen im Saugtrakt 5 werden nicht verstärkt. Bei Erreichen des definierten mittleren Überdrucks im Saugtrakt 5 löst sich die Membran 3 langsam von dem Haltelement 6 und beginnt zu schwingen. Hieraus erhält der Fahrer des Kraftfahrzeuges eine akustische Rückmeldung über den Lastzustand der Brennkraftmaschine.
Durch die gezielte geometrische Ausgestaltung von Rohr 4 mit dem Hohlkörper 2 in Verbindung mit der Membran 3 und dem Haltelement 6 kann die Resonanzfrequenz im Hemholtz-Resonator verändert und ungewünschte Frequenzbereiche, die nicht verstärkt und an den Fahrer weitergegeben werden sollen, ausgefiltert werden.
In weiteren Ausführungsvarianten der erfindungsgemäßen Anordnung kann statt einem Abgasturbolader auch ein mechanisch angetriebener Lader oder eine Registeraufladung verbaut sein. Der Käfig 7 kann, zur Erreichung einer optimalen Festigkeit und Luftdurchlässigkeit, ähnlich wie ein Lautsprecherkorb ausgebildet sein. Wenn die Höhe des Korbs variabel gestaltet ist, kann ferner der mittlere Überdruck in Abhängigkeit von der Drehzahl und/oder der Last der Brennkraftmaschine einstellbar gestaltet werden, ab dem eine Schallübertragung stattfinden soll. Das Dämpfungselement 6, welches im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einem weichen stark dämpfenden, gummielastischen Material aufgebaut ist, kann ebenso aus Schaumstoff, bzw. Silikonen hergestellt werden. Ferner können für die Membran 3, die im vorliegenden Fall aus Gummi ist, weitere Materialien verwendet werden, wie beispielsweise Latex oder Kunststoffe, z. B. Polypropylen (PP). Auch eine harte Membran 3 mit einer weichen Sicke (3') als Randeinfassung, ähnlich wie bei Lautsprechern, ist möglich.
Im Falle einer frequenzselektiven Schallweiterleitung, kann der von der Membran 3 abgestrahlte Schall in einen weiteren Helmholtz-Resonator abgestrahlt werden, über dessen geometrische Verhältnisse wiederum der von dem Schallübertragungselement 1 abgestrahlte Schall akustisch beeinflussbar ist.
Alternativ kann das Schallübertragungselement 1 auch bei einer gemischverdichtenden selbstzündenden Brennkraftmaschine eingesetzt werden.

Claims

1. Schallübertragungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine bestehend aus einem Hohlkörper mit zumindest einer Membran, der über zumindest ein Rohr mit einem Saugtrakt der Brennkraftmaschine akustisch in Wirkverbindung steht, wobei die Membran durch Luftdruckschwankungen im Saugtrakt zu Schwingungen anregbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine aufgeladen und die Membran (3) derart gehalten ist, dass sie ab einem definierten mittleren Überdruck im Saugtrakt (5) schwingfähig ist.

2. Schallübertragungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (3) bei einem mittleren Überdruck im Saugtrakt (5), der kleiner als der definierte mittlere Überdruck ist, auf einem Halteelement (6) aufliegt.

3. Schallübertragungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach den Patentansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (3) von einem mittleren Luftdruck im Saugtrakt (5), der größer als der definierte mittlere Überdruck ist, von dem Halteelement (6) wegdrückbar ist.

4. Schallübertragungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach einem der zuvor genannten Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement (6) von einem Käfig (7) gehalten ist.

5. Schallübertragungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach einem der zuvor genannten Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (7) schalldurchlässig ist.

6. Schallübertragungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach einem der zuvor genannten Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement (6) ein Dämpfungselement ist.

7. Schallübertragungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach zumindest einem der zuvor genannten Patentansprüche, wobei die Brennkraftmaschine über mindestens eine Ladepumpe verfügt, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallübertragungsvorrichtung (1) stromab der Ladepumpe akustisch mit dem Saugtrakt (5) verbunden ist.

8. Schallübertragungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach einem der zuvor genannten Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (3) aus Kunststoff und/oder einem metallischen und/oder einem gummielastischen Werkstoff ist.

9. Schallübertragungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach einem der zuvor genannten Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Saugtrakt (5) akustisch abgewandte Seite der Membran (3) den Schall frei und/oder in zumindest ein akustisches Leitelement abstrahlt.

10. Schallübertragungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine nach einem der zuvor genannten Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der definierte mittlere Überdruck im Saugtrakt (5) größer als der Umgebungsluftdruck ist.