DE102005025502B4

DE102005025502B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Dimensionierung der Akustik einer Abgasanlage für Verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE102005025502B4
Application number: DE200510025502
Authority: DE
Inventors: Bernd Fuhrmann; Patrick Dr. Garcia; Dirk Wiemeler
Original assignee: Heinrich Gillet GmbH
Current assignee: Tenneco GmbH
Priority date: 2005-06-03
Filing date: 2005-06-03
Publication date: 2008-02-28
Anticipated expiration: 2025-06-04
Also published as: DE102005025502A1

Abstract

Verfahren zur Dimensionierung der Akustik einer Abgasanlage für Verbrennungsmotoren, umfassend
– wenigstens einen Motorkrümmer,
– wenigstens ein Vorrohr (2, 2.1, 2.2),
wenigstens ein Endrohr (6.1, 6.2),
– gegebenenfalls einen Vorschalldämpfer (3),
– gegebenenfalls einen Hauptschalldämpfer (5),
– gegebenenfalls ein Verbindungsrohr (4, 4.1, 4.2) zwischen Vor- und Hauptschalldämpfer (3, 5),
– und einen motornah eingebauten akustischen Hochpass (1, 1.1, 1.2), gekennzeichnet durch die Merkmale:
– zunächst werden die Resonanzfrequenzen (E1, E2, E3 ...) der Einzelelemente (1.1, 1.2, 2.1, 2.2, 3, 4.1, 4.2, 4, 6.1, 6.2) der Abgasanlage in Abhängigkeit von der Drehzahl (U) des Motors bestimmt,
– anschließend werden die Schnittpunkte der Resonanzfrequenzkurven (E1, E2, E3 ...) mit wenigstens einer Harmonischen (H2, H4), die für die Akustik der Abgasanlage wichtig ist, bestimmt,
– anschließend werden die Resonanzfrequenzen (E1, E2, E3 ...) aufsummiert und die Resultierende (R) mit den vorgegebenen Werten...

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur Dimensionierung der Akustik einer Abgasanlage für Verbrennungsmotoren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft ferner Vorrichtungen zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren.
Bei der Dimensionierung von Abgasanlagen muss eine Vielzahl von Einflussgrößen und Parametern aufeinander abgestimmt werden. Zu berücksichtigen sind die maximale Abgasmenge, die gesetzlichen Vorgaben und die akustischen und mechanischen Eigenschaften der Abgasanlage und ihrer Einzelelemente.
Soll die Abgasanlage in ein Kraftfahrzeug eingebaut werden, so sind insbesondere auch die mechanischen Eigenheiten des Fahrzeugchassis zu beachten.
Schließlich soll auch das Gewicht möglichst gering sein.
Darüber hinaus machen die Fahrzeughersteller häufig noch weitere Vorgaben. So wird zunehmend gefordert, dass das Auspuffgeräusch nicht nur die gesetzlichen Vorgaben erfüllt, sondern auch einen bestimmten Klang aufweist. Beispielsweise soll der Verbraucher die Fahrzeuge einer Firma bereits am Auspuffgeräusch erkennen können. Des weiteren wird in zunehmendem Maße gewünscht, dass sportlich aussehende Fahrzeuge auch ein sportliches Auspuffgeräusch aufweisen, selbst wenn sie nur einen Motor besitzen, beispielsweise einen Vierzylindermotor, der ein sportliches Auspuffgeräusch, wie es ein Sechs- oder gar Achtzylindermotor von Natur aus erzeugt, nicht erzeugt.
Bezüglich der Möglichkeiten, einen solchen Sportsound zu erzeugen, vergleiche man DE 100 02 240 A1 oder DE 100 44 604 A1 . Diese beiden Schriften offenbaren Anweisungen, mit deren Hilfe aus den vom Motor erzeugten Abgas-Pulsationen ungeradzahlige Harmonische der Auspuffgrundfrequenz erzeugt werden können, die ein Vier-Zylinder-Motor geometriebedingt nicht erzeugt. Damit kann ein Auspuffgeräusch erzeugt werden, wie es nur von Motoren mit sechs, acht oder zwölf Zylindern bekannt ist.
Die immer schärfer werdenden Vorschriften für den Umweltschutz verlangen, dass die entsprechenden Komponenten der Abgasanlagen wie Katalysator oder Rußfilter möglichst motornah eingebaut werden. Auch Abgas-Turbolader werden aus Gründen der Leistung so motornah wie möglich eingebaut. Alle diese Komponenten wirken jedoch akustisch als Hochpass, d. h. sie dämpfen die im Abgas enthaltenen tiefen Frequenzen besonders stark. Abgasturbolader fügen dem Abgasgeräusch zudem noch hochfrequente Pfeiftöne hinzu. Dies bedeutet, dass am Ausgang des akustischen Hochpassfilters genau die tiefen Frequenzen fehlen, die den vom Autofahrer gewünschten sportlichen Auspuffklang bilden.
Ein Beispiel für eine Abgasanlage mit motornah eingesetzten Katalysatoren zeigt die WO 2005/033485 A1 .
Eine weitere Forderung der Automobilhersteller ist, dass das Auspuffgeräusch in Abhängigkeit von der Motordrehzahl in einer vorherbestimmten Art und Weise variiert, ohne dass die gesetzlichen Grenzwerte überschritten werden. Der Hersteller der Abgasanlage ist somit in der Situation, die Amplitude der verschiedenen harmonischen Frequenzen des Abgasgeräusches drehzahlabhängig variieren zu lassen und dabei gleichzeitig den Summenpegel zu begrenzen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Dimensionieren einer Abgasanlage anzugeben, welches genau diese Vorgaben erfüllen kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Das erfindungsgemäße Dimensionierungsverfahren ermittelt zunächst die Resonanzfrequenzen der Einzelkomponenten der Abgasanlage. Diese Resonanzfrequenzen sind abhängig von der Motordrehzahl, die ihrerseits wieder die Abgastemperatur beeinflusst und damit die Schallausbreitungsgeschwindigkeit. Anschließend werden die drehzahlabhängigen Resonanzfrequenzkurven mit wenigstens einer der harmonischen Frequenzen geschnitten, wodurch die drehzahlabhängigen Resonanzfrequenzen der Einzelelemente der Abgasanlage ermittelt sind. Die Summe dieser harmonischen Frequenzverläufe wird mit den Vorgaben des Gesetzgebers oder des Anwenders verglichen. Üblicherweise wird man eine mehr oder weniger große Abweichung des ersten Entwurfs von diesen Vorgaben feststellen. Daher müssen die Charakteristika der Einzelelemente der Abgasanlage entsprechend verändert werden. Da bekannt ist, wo die drehzahlabhängigen Resonanzfrequenzen liegen und welche Amplitude sie haben, kann hier gezielt vorgegangen werden, so dass das gewünschte Ergebnis in wenigen Iterationsschritten erreicht werden kann.
Es versteht sich, dass zur Bildung der Schnittpunkte mit den drehzahlabhängigen Eigenfrequenzen der Einzelelemente der Abgasanlage nur die harmonische Frequenz bzw. harmonischen Frequenzen verwendet werden, die für die Bildung des gewünschten Abgassounds bestimmend sind. Bei Vier-Zylinder-Motoren sind dies bevorzugt die zweite und vierte Harmonische.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden schwache Resonanzfrequenzen durch zusätzliche Resonatorelemente verstärkt. Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass auf diese Weise der Pegel bestimmter harmonischer Frequenzen im Abgas, gegebenenfalls auch der Summenpegel, gesenkt werden kann. Offensichtlich wird die akustische Energie, die ja ihrerseits durch den motornahen Hochpassfilter gefiltert ist, von den hohen in die tiefen Frequenzbereiche transformiert.
Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erhalten alle Rohre der Abgasanlage den gleichen Querschnitt. Dadurch wird die Lagerhaltung erheblich vereinfacht.
Vorzugsweise wird der Rohrquerschnitt so dimensioniert, dass eine Mach-Zahl von 0,3 nicht überschritten wird. Dadurch wird unerwünschtes Strömungsrauschen sicher vermieden.
Zur Änderung des Kopplungsrades zwischen den Einzelelementen der Abgasanlage und den angekoppelten Dämpfungs- bzw. Resonatorelementen werden Zahl und/oder Größe von Rohrperforationen variiert.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch eine Abgasanlage, die auf besonders einfache Art und Weise nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dimensioniert werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Abgasanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 9.
Es versteht sich, dass eine Abgasanlage, die aus einem einzigen durchgehenden langen Rohr besteht, besonders einfach zu dimensionieren aber auch besonders leicht, platzsparend und preiswert ist.
Da ein einfaches durchgehendes Rohr Leistung und Drehmoment des Verbrennungsmotors negativ beeinflussen kann, wird gemäß einer Weiterbildung das Rohr an einer einzigen Stelle unterbrochen werden, wobei ein Gehäuse die Unterbrechungsstelle gasdicht umgibt.
Es versteht sich, dass das die Unterbrechungsstelle umgebende Gehäuse ebenfalls, eine Eigenfrequenz und eine eigene Resonanzkurve besitzt. Eine derart einfache Abgasanlage bietet bereits wenigstens drei Eigenfrequenzen, die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren dimensioniert und optimiert werden können.
Bei Bedarf kann die Abgasanlage durch weitere Elemente erweitert werden, beispielsweise durch einen angekoppelten Helmholtz-Resonator, durch Lambda-Viertel-Elemente und andere an sich bekannten Komponenten. Vorteilhafterweise kann das Rohr auch perforiert werden und an der Perforationsstelle von einem Dämpfungselement umhüllt sein.
Anhand der Zeichnung soll die Erfindung in Form eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen
1 eine zweiflutige Abgasanlage für einen Saugmotor,
2 ein Diagramm, in dem die drehzahlabhängigen Eigenfrequenzen der Einzelkomponenten der Abgasanlage der 1 und die Schnittpunkte mit den harmonischen Frequenzen des Abgasgeräusches eingezeichnet sind,
3 ein Diagramm, in dem Position und Amplitude der durch die Schnittpunkte in 2 ermittelten Resonanzkurven eingezeichnet sind,
4 eine einflutige Abgasanlage für einen Turbomotor und
5 ein Diagramm, in dem die verschiedenen harmonischen Frequenzen in Abhängigkeit von der Motordrehzahl sowie die vorgegebenen Grenzwerte eingezeichnet sind.
1 zeigt beispielhaft eine zweiflutige Abgasanlage für einen Saugmotor. Man erkennt motornah Katalysatoren 1.1, 1.2, die akustisch als Hochpassfilter wirken. d.h. die vom Verbrennungsmotor erzeugten tieffrequenten Schallanteile dämpfen.
Die eigentliche Abgasanlage beginnt im Anschluss an die Katalysatoren 1.1, 1.2. Es handelt sich dabei um die Vorrohre 2.1, 2.2, einen in diesem Fall kombinierten Vorschalldämpfer 3, zwei Verbindungsrohre 4.1, 4.2, einen Nachschalldämpfer 5 und zwei Endrohre 6.1, 6.2. Diese Abgasanlage unterscheidet sich dadurch von einer herkömmlichen Abgasanlage dass sie nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dimensioniert ist und daher sowohl der Vorschalldämpfer 3 als auch der Endschalldämpfer 5 nur ein geringes Volumen besitzen. Es genügen schon 0,17 bis 0,2 Liter pro Kilowatt Motorleistung.
2 zeigt ein Diagramm, bei dem auf der X-Achse die Motordrehzahl U und auf der Y-Achse die Frequenz in Hertz aufgetragen sind. In das Diagramm eingetragen sind die drehzahlabhängigen Eigenfrequenzen der verschiedenen Einzelelemente der Abgasanlage aus 1.
Die Eigenfrequenzkurve E1 stammt von den Endrohren 6.1 bzw. 6.2. Die Eigenfrequenzkurve E2 stammt von den Verbindungsrohren 4.1 bzw. 4.2. Die Eigenfrequenzkurve E3 stammt vom Endschalldämpfer 5. Die Eigenfrequenzkurve E4 stammt ebenfalls von den Verbindungsrohren 4.1, 4.2. Die Eigenfrequenzkurve E5 repräsentiert die Gesamtanlage und die Eigenfrequenzkurve E6 stammt von den Vorrohren 2.1 bzw. 2.2.
Des weiteren sind in 2 eingetragen die Schnittpunkte der Eigenfrequenzkurven E1 ... E6 mit der Harmonischen H4.
3 zeigt ein Diagramm, bei dem über der Motordrehzahl U die Amplitude in dbA aufgetragen ist. Eingetragen sind die zu den Schnittpunkten der 2 gehörenden Resonanzkurven mit ihrer Mittenfrequenz und ihrer Amplitude. Man erkennt sehr deutlich die Zuordnung der Resonanzkurven zu den Schnittpunkten in 2. Ebenfalls eingetragen ist die Resultierende R.
Wie die 2 und 3 erkennen lassen, sind dem Konstrukteur jetzt die Einflüsse der Einzelelemente der Abgasanlage auf das Abgasgeräusch bekannt. Er kann daher durch Veränderung der Abmessungen der Anlagenkomponente deren Eigenfrequenz und durch Veränderung von Dämpfung bzw. Entdämpfung deren Resonanzkurve und Amplitude gezielt verändern, bis die jeweilige Resultierende R den Vorgaben des Gesetzgebers und/oder des Autoherstellers entspricht.
Wie die Diagramme der 2 und 3 zeigen, können auch tiefe Frequenzen, beispielsweise im Bereich von 100 Hz, die in den Katalysatoren 1.1, 1.2 stark gedämpft wurden, so weit angehoben werden, dass sie mit einer erheblichen Amplitude von z.B. 92 dbA wie in 3 wieder im Auspuffgeräusch vorhanden sind.
4 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel eine einflutige Abgasanlage eines Turbomotors. Der Turbolader selbst ist nicht dargestellt. Turbolader wirken jedoch bekanntlich als extreme Hochpassfilter. Außerdem speisen sie ein hochfrequentes Pfeifgeräusch in das Abgas ein.
Auch die in 4 dargestellte Abgasanlage besitzt einen motornahen Katalysator 1, ein Vorrohr 2, einen Vorschalldämpfer 3, ein Verbindungsrohr 4, einen Endschalldämpfer 5 und in diesem Ausführungsbeispiel zwei Endrohre 6.1, 6.2. Die drehzahlabhängigen Eigenfrequenzen dieser Einzelelemente der Abgasanlage werden gemessen und in ein Diagramm ähnlich 2 eingetragen, worauf die Schnittbildung mit einer der interessierenden harmonischen Frequenzen der Motorgrundfrequenz, beispielsweise mit der vierten Harmonischen H4 oder auch der zweiten Harmonischen H2 erfolgt. Anschließend werden analog 3 die zu den einzelnen Schnittpunkten gehörenden Resonanzkurven und die resultierende R ermittelt und mit den Vorgaben des Gesetzgebers bzw. des Automobilherstellers verglichen. Anschließend variiert der Konstrukteur Größe, Position und Kopplungsgrad der Einzelelemente 1, ... 6.2 der Abgasanlage so lange, bis die gewünschte Resultierende R erreicht ist.
Das Ergebnis zeigt 5. Dargestellt ist ein Diagramm, in das einerseits die Vorgaben V0, V2, V4 des Automobilherstellers für den Summenpegel (V0), die zweite Harmonische H2 (V2) und die vierte Harmonische H4 (V4) eingezeichnet sind. Ebenfalls eingezeichnet sind die drehzahlabhängigen Pegel der harmonischen Frequenzen H2, H4, H6, H8 und H10. Man erkennt, dass die für das Auspuffgeräusch maßgeblichen harmonischen Frequenzen H2 und H4 sowie der Summenpegel H0 bereits weitestgehend den Vorgabekurven V0, V2, V4 entsprechen. In wenigen zusätzlichen Iterationsschritten wird der endgültige Kurvenverlauf erreicht.
Betrachtet man die Abgasanlage der 4, so fällt wiederum auf, wie klein die Volumina von Vorschalldämpfer 3 und Endschalldämpfer 5 sind. Es genügen 0,15 bis 0,18 Liter pro Kilowatt Motorleistung.

Claims

Verfahren zur Dimensionierung der Akustik einer Abgasanlage für Verbrennungsmotoren, umfassend – wenigstens einen Motorkrümmer, – wenigstens ein Vorrohr (2, 2.1, 2.2), wenigstens ein Endrohr (6.1, 6.2), – gegebenenfalls einen Vorschalldämpfer (3), – gegebenenfalls einen Hauptschalldämpfer (5), – gegebenenfalls ein Verbindungsrohr (4, 4.1, 4.2) zwischen Vor- und Hauptschalldämpfer (3, 5), – und einen motornah eingebauten akustischen Hochpass (1, 1.1, 1.2), gekennzeichnet durch die Merkmale: – zunächst werden die Resonanzfrequenzen (E1, E2, E3 ...) der Einzelelemente (1.1, 1.2, 2.1, 2.2, 3, 4.1, 4.2, 4, 6.1, 6.2) der Abgasanlage in Abhängigkeit von der Drehzahl (U) des Motors bestimmt, – anschließend werden die Schnittpunkte der Resonanzfrequenzkurven (E1, E2, E3 ...) mit wenigstens einer Harmonischen (H2, H4), die für die Akustik der Abgasanlage wichtig ist, bestimmt, – anschließend werden die Resonanzfrequenzen (E1, E2, E3 ...) aufsummiert und die Resultierende (R) mit den vorgegebenen Werten verglichen, – abschließend wird wenigstens eine der Resonanzfrequenzen (E1, E2 ...) verschoben und/oder deren Amplitude (A1, A2, A3 ...) verändert, indem die Eigenschaften des zugehörigen Einzelelements verändert werden, – diese Schritte werden solange wiederholt, bis das Optimum erreicht ist.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Merkmale: – an Einzelelemente, deren Amplitude (A1, A2, A3 ...) bei der Resonanzfrequenz (E1, E2, E3 ...) zu hoch ist, werden Dämpfungselemente angekoppelt, – der Kopplungsgrad wird entsprechend der nötigen Dämpfung eingestellt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Merkmale: – an Einzelelemente, der Amplitude (A1, A2, A3 ...) bei der Resonanzfrequenz (E1, E2, E3 ...) zu nieder ist, werden Resonatorelemente angekoppelt, – der Kopplungsgrad wird entsprechend der nötigen Entdämpfung eingestellt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch das Merkmal: – fehlende Resonanzfrequenzen werden durch zusätzliche Resonatorelemente erzeugt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch das Merkmal: – alle Rohre der Abgasanlage erhalten den gleichen Querschnitt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch das Merkmal: – der Rohrquerschnitt wird so dimensioniert, dass eine Mach-Zahl von 0,3 nicht überschritten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch das Merkmal: – der Kopplungsgrad zwischen den Einzelelementen und einem angekoppelten Dämpfungs- bzw. Resonatorelement wird durch Zahl und/oder Größe von Rohrperforationen dimensioniert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch das Merkmal: – die Dimensionierung wird für die zweite und/oder vierte Harmonische (H2, H4) der Motorgrundfrequenz iterierend durchgeführt.
Abgasanlage, dimensioniert nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch die Merkmale: – sie besteht aus einem durchgehenden Rohr, – die Länge des Rohrs entspricht einem Viertel der akustischen Wellenlänge der Grundfrequenz (H0).
Abgasanlage nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch die Merkmale: – das Rohr ist ein Mal unterbrochen, – ein Gehäuse umgibt die Unterbrechungsstelle gasdicht.
Abgasanlage nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch die Merkmale: – das Rohr ist perforiert, – das Rohr ist an der Perforation von einem Dämpfungselement umhüllt.
Abgasanlage nach einem der Ansprüche 9 bis 11, gekennzeichnet durch die Merkmale: – das Rohr ist perforiert, – das Rohr ist an der Perforation von einem Resonatorelement umhüllt.
Abgasanlage nach einem der Ansprüche 9 bis 12, gekennzeichnet durch das Merkmal: – an das Rohr ist ein Helmholtz-Resonator angekoppelt.
Abgasanlage nach einem der Ansprüche 9 bis 13, gekennzeichnet durch das Merkmal: – der motornahe Hochpass ist ein Katalysator, Partikelfilter oder Abgas-Turbolader.
Abgasanlage nach einem der Ansprüche 9 bis 14, gekennzeichnet durch das Merkmal: – die Volumina von Vor- bzw. Endschalldämpfer liegen zwischen ca. 0,15 und 0,2 Liter pro Kilowatt Motorleistung.