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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Klangveränderung
einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Erzeugung einer bestimmten
Abgasfrequenz in einer Abgasanlage gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 15.
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Es
ist bekannt, dass Brennkraftmaschinen entsprechend ihrer Zylinderzahl
und je nach Hubraum der Brennkraftmaschine einen typischen Motorklang
generieren. Daher wird durch eine Brennkraftmaschine mit vier Zylindern
ein anderer Klang wie durch eine mit sechs Zylindern aufgrund der
typischen Abgaspulsation in Abhängigkeit von der Zündhäufigkeit
pro Motorumdrehung erzeugt. Weiterhin basieren zukünftige
Motorkonzepte aus Wirtschaftlichkeitsgründen auf kleineren
Hubraumklassen mit geringerer Zylinderzahl, um den Verbrauch einer Brennkraftmaschine
und das Gesamtgewicht eines Fahrzeuges zu reduzieren.
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Eine
Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1 ist aus der
DE 100
30 490 A1 bekannt. Bei der dort beschriebenen Abgasanlage für
eine Brennkraftmaschine dient der Schalldämpfer der Glättung
der Abgasdruckpulsation. Hierbei wird mittels eines Steuerventiles
eines Hauptrohres und durch das Zusammenwirken des Hauptrohres mit
einem Nebenrohr eine gezielte Klangqualität des Schalldämpfers
bewirkt. Das Steuerventil ist als Steuerklappe ausgebildet.
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Aus
der
DE 198 37 097
A1 ist eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine bekannt,
bei der zur Veränderung der Akustik der Abgasanlage ein
Abgasrohr mittels eines einen Schließkörper aufweisenden
Steuerventils geöffnet oder geschlossen wird.
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Die
aus dem Stand der Technik bekannten Abgasanlagen bewirken in der
Regel eine Veränderung einer vorhandenen Akustik der Abgasanlage unter
Beibehaltung einer Abgaspulsation, welche durch die Zylinderzahl
der Brennkraftmaschine bzw. durch die Zündfolge der Zylinder
vorgegeben ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abgasanlage für
eine Brennkraftmaschine bereit zu stellen, bei der der Klang der
Abgasanlage gezielt verändert werden kann.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit
den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst.
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Nach
einem ersten Aspekt der Erfindung zeichnet sich die erfindungsgemäße
Vorrichtung dadurch aus, dass die Resonanzeinrichtung mehrere Rohre
unterschiedlicher Länge und/oder unterschiedlichen Durchmessers
aufweist, im Inneren des jeweiligen Rohres ein Steuerventil zum Öffnen
und Schließen des Rohrquerschnitts angeordnet ist, wobei
dieses Steuerventil unabhängig von den Steuerventilen der
anderen Rohre ansteuerbar ist, sowie das jeweilige Rohr stromabwärts
frei in das Gehäuse mündet.
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Aufgrund
der Gestaltung der Resonanzeinrichtung mit mehreren Rohren unterschiedlicher
Länge und/oder unterschiedlichen Durchmessers und die über
die Steuerventile unabhängig voneinander ansteuerbaren
Rohre besteht die Möglichkeit, mindestens einen Teil des
durch die Abgaseintrittsöffnung in das Gehäuse
einströmenden Abgasstromes in beliebiger Art und Weise
durch die Rohre zu leiten. Dieser Teilabgasstrom kann gleichzeitig
durch ein oder mehrere Rohre geleitet werden. Durch das gezielte
zyklische Öffnen und Schließen der einzelnen Steuerventile,
die insbesondere als Steuerklappen ausgebildet sind, in den verschiedenen
Resonanzrohren, kann die typische Abgaspulsation bzw. die Abgasfrequenz
der Brennkraftmaschine über die Resonanzkammer nach Belieben,
z. B. in Abhängigkeit von Drehzahl und Last der Brennkraftmaschine
sowie Geschwindigkeit des von der Brennkraftmaschine angetriebenen
Fahrzeuges moduliert werden. Durch die Häufigkeit des Wechsels
zwischen einer Öffnungs- und einer Schließstellung
des Steuerventils und damit dem Durchlassen eines Teilabgasstromes
durch das jeweilige Rohr bzw. die jeweiligen Rohre kann beispielsweise
bei einer Brennkraftmaschine mit vier Zylindern der Klang einer
Brennkraftmaschine mit fünf, sechs, acht oder zwölf
Zylindern simuliert werden.
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Baulich
besonders einfach lässt sich die erfindungsgemäße
Vorrichtung verwirklichen, wenn sie stromaufwärts ein Sammelrohr
aufweist, das stromabwärts in die Rohre übergeht.
Das jeweilige Rohr mündet stromabwärts frei in
das Gehäuse. Die Rohre sind insbesondere nebeneinander
angeordnet, so dass der jeweilige Teilabgasstrom quasi durch parallel
geschaltete Rohre geleitet wird, wobei das jeweilige Rohr mittels
des diesem zugeordneten Steuerventils geöffnet bzw. geschlossen
ist.
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Grundsätzlich
reicht es im Sinne der Erfindung aus, wenn die Rohre unterschiedliche
Länge aufweisen oder aber unterschiedlichen Durchmesser aufweisen.
Es wird aber als besonders vorteilhaft angesehen, wenn die Rohre
unterschiedliche Längen und unterschiedliche Durchmesser
aufweisen. Somit besteht die Möglichkeit, das jeweilige
Rohr bezüglich der anderen Rohre sowohl hinsichtlich Länge
als auch Durchmesser zu verändern und damit hinsichtlich
des Klangverhaltens zu optimieren. Als besonders vorteilhaft wird
es angesehen, wenn benachbarte Rohre derart ausgebildet sind, dass
ein erstes Rohr eine relativ kurze Länge und einen relativ
großen Durchmesser und ein diesem ersten Rohr benachbartes
zweites Rohr bezüglich des ersten Rohres eine relativ größere
Länge und einen relativ geringeren Durchmesser aufweist
und ein diesem zweiten Rohr benachbartes drittes Rohr bezüglich
des zweiten Rohres eine relativ größere Länge
und einen relativ geringeren Durchmesser aufweist.
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In
einem langen und schmalen Rohr lässt sich eine relativ
hohe Frequenz, somit ein relativ hoher Ton, mit einem kurzen und
dicken Rohr eine relativ niedrige Frequenz und damit ein relativ
niedriger Ton erzeugen.
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Die
den Rohren zugeordneten Steuerventile ermöglichen durch Öffnen
und Schließen, die Rohre abwechselnd für eine
bestimmte Dauer mit Abgas zu beaufschlagen. Da diese Rohre mit den
verschiedenen Längen und/oder verschiedenen Durchmessern ausgeführt sind,
können unterschiedliche Abgasfrequenzen eingestellt werden.
Hierdurch werden Abgasdruckschwankungen und Abgasfrequenzen generiert,
die den Klang einer Brennkraftmaschine mit einer höheren
Zylinderzahl und gegebenenfalls einem größeren
Hubraum als tatsächlich vorliegend simulieren. Die Variabilität
der Klangsimulation lässt sich steigern, wenn mehr als
ein Rohr gleichzeitig vom Abgas durchströmt wird.
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Der
Ausbildung des jeweiligen Steuerventils als Steuerklappe ermöglicht
bei baulich einfachster Gestaltung ein schnelles Öffnen
und Schließen des jeweiligen Rohres. Vorzugsweise ist das
jeweilige Steuerventil im Bereich des stromaufwärts befindlichen
Ende des Rohres angeordnet. Die stromaufwärts befindlichen
Enden der Rohre sind zweckmäßig in etwa in derselben
Ebene angeordnet. Dies bedeutet, dass bei Verwendung von Rohren
unterschiedlicher Länge die Rohre stromaufwärts
in etwa in derselben Ebene beginnen und stromabwärts unterschiedlich
weit in das Gehäuse hineinreichen. Die Rohre erstrecken
sich beispielsweise über 1/10 bis 9/10 der Ausdehnung des
Gehäuses in dieses hinein, bezogen auf die Ausdehnung des
Gehäuses in dieser Erstreckungsrichtung der Rohre.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung ist das jeweilige Steuerventil,
insbesondere die jeweilige Steuerklappe, mit einem Bypass-Durchlass
versehen. Sollten sich die Steuerventile im Störfall nicht ansteuern
lassen und die Rohre verschließen, verbleibt immer noch
ein ausreichender Durchlass für das Abgas durch die Bypass-Durchlässe
der Steuerventile. Der bypass-Durchlass ist in der jeweiligen Steuerklappe
vorzugsweise als Loch in der Steuerklappe ausgebildet.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung weist die Regeleinrichtung Steuerglieder
zum Ansteuern der Steuerventile, insbesondere unter Einwirkung von
Unterdruck stehende Stellglieder auf. Der Antrieb der Steuerventile
kann auf beliebige Art und Weise erfolgen, beispielsweise elektromotorisch und/oder
mechanisch. Vorzugsweise ist jedem Steuerventil ein Stellglied zugeordnet.
Das jeweilige Stellglied ist insbesondere eine Unterdruckdose, die
mittels eines Magnetventils schaltbar ist, das mittels eines Steuergeräts
angesteuert wird. Die Ansteuerung der Magnetventile mittels des
Steuergeräts erfolgt insbesondere in Abhängigkeit
von der Fahrzeuggeschwindigkeit, der Drehzahl der Brennkraftmaschine und
der Motorlast.
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Nach
einem zweiten Aspekt der Erfindung zeichnet sich das erfindungsgemäße
Verfahren dadurch aus, dass in Abhängigkeit von der Stellung
von Steuerventilen, die den Durchgang mindestens eines Teils des
Abgases durch parallel geschaltete Rohre freigeben oder sperren,
bestimmte Abgasfrequenzen eingestellt werden, wobei die Rohre innerhalb
eines Gehäuses angeordnet sind. Hierdurch kann z. B. der Klang
einer Abgasanlage dahingehend modifiziert werden, dass sich der
Klang einer Brennkraftmaschine mit vier Zylindern wie der Klang
einer Brennkraftmaschine mit fünf, sechs, acht oder zwölf
Zylindern anhört. Durch die innerhalb des Gehäuses,
das die Funktion einer Resonanzkammer aufweist, angeordneten Rohre,
die als Resonanzrohre mit unterschiedlicher Länge und/oder
unterschiedlichem Durchmesser gestaltet sind, kann ein Teil des
Abgasstromes der Brennkraftmaschine durch ein oder mehrere Resonanzrohre
umgelenkt werden, so dass eine beliebige Abgasdruckschwankung bzw.
Abgasfrequenz innerhalb der Resonanzkammer der Abgasanlage eingestellt
wird.
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Der
Vorteil dieser Bauart ist darin zu sehen, dass Unterdruckdosen,
Steuerklappen und Magnetventile aus der Turbolader-Regelung und
-steuerung eingesetzt werden können und einen robusten
Stand der Technik darstellen.
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Weitere
Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen,
der nachfolgenden Figurenbeschreibung und den Figuren selbst.
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Es zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung der Vorrichtung zur Klangveränderung
der Abgasanlage der Brennkraftmaschine,
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2 einen
Längsschnitt durch ein Rohr der Resonanzeinrichtung im
Bereich der Steuerklappe, veranschaulicht in der Schließstellung
der Steuerklappe,
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3 einen
Querschnitt durch das Rohr gemäß 2 und
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4 ein
Schaltbild zur Verdeutlichung der Ansteuerung von Magnetventilen
zwecks Ansteuerung der den Rohren zugeordneten Schaltklappen mittels
Unterdruckdosen.
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1 veranschaulicht
die Vorrichtung zur Klangveränderung der Abgasanlage der
Brennkraftmaschine, die ein vom Abgas durchströmtes Gehäuse 1 aufweist,
das eine Resonanzkammer bildet. Im Gehäuse 1,
präzise teilweise im Gehäuse 1, ist eine Resonanzeinrichtung 2 angeordnet,
die drei Rohre 3, 4 und 5 aufweist. Stromaufwärts
münden diese Rohre in ein Sammelrohr 6. Die stromaufwärts
befindlichen Enden der Rohre 3, 4 und 5 sind
in etwa in derselben Ebene angeordnet, die senkrecht zur Blattebene
gemäß 1 durch die strichlierte Linie 7 verläuft.
Im Bereich dieser Ebene mündet somit das Sammelrohr 6 in
die drei Rohre 3, 4 und 5. Die stromaufwärts
befindlichen Abschnitte 3a, 4a und 5a der Rohre 3, 4 und 5 weisen
dieselbe Querschnittsform und Querschnittsfläche auf, wobei
das jeweilige Rohr 3, 4 bzw. 5 im jeweiligen
Abschnitt 3a, 4a bzw. 5a eine Steuerklappe 8, 9, 10 aufweist.
In der in 1 gezeigten jeweils geschlossenen
Stellung der Steuerklappe 8, 9 bzw. 10 ist
der Durchgang durch die Rohre 3, 4 bzw. 5 gesperrt,
in der um 90° zu dieser Stellung geschwenkten Stellung
der jeweiligen Steuerklappe der Querschnitt des zugeordneten Rohres freigegeben,
so dass Abgas durch dieses strömen kann.
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Die
Rohrabschnitte 3a, 4a und 5a münden geringfügig
in das Innere des Gehäuses 1 und setzen sich in
Rohrabschnitten 3b, 4b und 5b der Rohre 3, 4 und 5 fort.
Das Rohr 3 erweitert sich dabei vom Rohrabschnitt 3a zum
Rohrabschnitt 3b, wobei der Rohrabschnitt 3b nur
eine kurze Länge aufweist. Der Rohrabschnitt 4b des
neben dem Rohr 3 befindlichen Rohres 4 ist im
Querschnitt gegenüber dem Rohrabschnitt 4a dieses
Rohres unverändert, wobei die Länge des Rohrabschnittes 4b wesentlich
länger ist als die des Rohrabschnitts 3b. Der
Rohrabschnitt 5b des Rohres 5 ist nochmals länger
als der Rohrabschnitt 4b des Rohres 4. Allerdings
ist der Querschnitt des Rohrabschnitts 5b geringer als
der Querschnitt des Rohrabschnitts 5a. Der Rohrabschnitt 3b ragt
weniger als 1/4 der Längserstreckung des Gehäuses 1 in dieses
hinein, der Rohrabschnitt 4b ragt etwa über die
halbe Länge des Gehäuses 1 in dieses,
der Rohrabschnitt 5b ragt über mehr als 3/4 der
Länge des Gehäuses 1 in dieses. Die jeweilige
Steuerklappe 8, 9 bzw. 10 ist mittels
eines Stellteiles 11 einer Unterdruckdose 12 verschwenkbar,
wobei die jeweilige der drei Unterdruckdosen 12 mittels
eines Magnetventils 13, 14 und 15 geschaltet
wird, das am Unterdruck der Sauganlage der Brennkraftmaschine liegt.
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Somit
befinden sich in der Resonanzkammer – Gehäuse 1 – mehrere,
konkret drei Resonanz-Rohre 3, 4 und 5 mit
unterschiedlicher Länge und unterschiedlichem Durchmesser,
die über die Steuerklappen 8, 9 und 10 geöffnet
und geschlossen werden können. Die jeweilige Steuerklappe 8, 9 bzw. 10 ist über
die dieser zugeordnete Unterdruckdose 12 mechanisch zu öffnen
oder zu schließen. Liegt Unterdruck, der über
das Magnetventil 13, 14 bzw. 15 von der
Sauganlage der Brennkraftmaschine an die jeweilige Unterdruckdose 12 weiter
geschaltet wird, an, zieht die Membran der Unterdruckdose an und
es wird die dieser Unterdruckdose zugeordnete Steuerklappe 8, 9 bzw. 10 geöffnet.
Ist das Magnetventil 13, 14 bzw. 15 wieder
geschlossen, wird die diesem Magnetventil zugeordnete Steuerklappe 8, 9 bzw. 10 ebenfalls
geschlossen. Ein Steuergerät 16, in dem ein Kennfeld 17 abgelegt
ist, übernimmt in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit,
der Drehzahl der Brennkraftmaschine und der Motorlast die Ansteuerung
der Magnetventile 13, 14 bzw. 15. Konkret schalten
Transistoren 18 das jeweilige Magnetventil 13, 14 bzw. 15.
Das jeweilige Magnetventil schaltet den Unterdruck frei für
die Unterdruckdose. Vorstehende Details sind in 4 verdeutlicht.
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Durch
das gezielte zyklische Öffnen und Schließen der
einzelnen Steuerklappen 8, 9 und 10 in den
verschiedenen Resonanzrohren 3, 4 und 5 kann die
typische Abgaspulsation bzw. die Abgasfrequenz der Brennkraftmaschine über
die Resonanzkammer nach Belieben, z. B. in Abhängigkeit
von Drehzahl, Last und Geschwindigkeit moduliert werden.
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Der
Vorteil dieser Bauart ist, dass Unterdruckdosen, Steuerklappen und
Magnetventile aus der Turbolader-Regelung und -steuerung eingesetzt werden
können und einen robusten Stand der Technik darstellen.
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Die 2 und 3 zeigen
exemplarisch für den Rohrabschnitt 3a die Lagerung
der Steuerklappe 8 in diesem Rohrabschnitt. Entsprechendes
gilt für die Lagerung der Steuerklappen 9 und 10 in
den Rohrabschnitten 4a und 5a.
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Die 2 und 3 verdeutlichen
eine Lagerwelle 19, die den Rohrabschnitt 3a durchsetzt
und außerhalb des Rohrabschnitts mit einem Auslenkhebel 20 verbunden
ist. An diesem greift das Stellteil 11 der Unterdruckdose 12 an.
Der Rohrabschnitt 3a weist kreisförmigen Querschnitt
auf. Mit der Lagerwelle 19 ist die Steuerklappe 8 verschraubt.
Diese ist beidseitig der Lagerwelle 9 mit jeweils einer
Bypass-Öffnung 21 versehen, die einen Grunddurchlass
selbst bei geschlossener Steuerklappe 8 ermöglicht.
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Resonanzeinrichtung
- 3
- Rohr
- 3a
- Rohrabschnitt
- 3b
- Rohrabschnitt
- 4
- Rohr
- 4a
- Rohrabschnitt
- 4b
- Rohrabschnitt
- 5
- Rohr
- 5a
- Rohrabschnitt
- 5b
- Rohrabschnitt
- 6
- Sammelrohr
- 7
- Ebene
- 8
- Steuerklappe
- 9
- Steuerklappe
- 10
- Steuerklappe
- 11
- Stellteil
- 12
- Unterdruckdose
- 13
- Magnetventil
- 14
- Magnetventil
- 15
- Magnetventil
- 16
- Steuergerät
- 17
- Kennfeld
- 18
- Transistor
- 19
- Lagerwelle
- 20
- Auslenkhebel
- 21
- Bypass-Durchlass
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10030490
A1 [0003]
- - DE 19837097 A1 [0004]