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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Luftschallübertragung
von einer Brennkraftmaschine in einen Abstrahlraum.
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Zur
Reduzierung störender
Schallemissionen in die Umgebung sind bei modernen Personenkraftwagen
die Brennkraftmaschinen vergleichsweise gut schallgeschützt bzw.
schallgedämpft.
Viele Fahrzeugführer,
insbesondere sportlich ambitionierte Fahrer, wünschen sich jedoch ein akustisches
Feedback zur aktuellen Leistungsabgabe der Brennkraftmaschine. Der
Fahrer möchte
hören,
ob seine über das
Gaspedal initiierte Leistungsanforderung von der Brennkraftmaschine
auch umgesetzt wird. Zu diesem Zweck kommen Luftschallübertragungsvorrichtungen
der eingangs genannten Art zum Einsatz. Eine solche Vorrichtung
kann bspw. eine Übertragungsstrecke
aufweisen, die Luftschall von der Brennkraftmaschine zum Abstrahlraum
führt.
Dieser Abstrahlraum kann bspw. in einem Motorraum des Fahrzeugs liegen,
in dem die Brennkraftmaschine angeordnet ist. Ebenso kann der Abstrahlraum
in einem Passagierraum des Fahrzeugs liegen. Auch kann der Abstrahlraum
durch die Umgebung des Fahrzeugs gebildet sein. Bevorzugt ist eine
Schallabstrahlung innerhalb des Motorraums gegen eine Spritzwand,
die den Motorraum vom Fahrgastraum trennt.
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In
dieser Übertragungsstrecke
kann eine Steuereinrichtung angeordnet sein, die in einem Kanalkörper ein
Stellglied zum Verändern
des freien Querschnitts des Kanalkörpers aufweist. Durch Öffnen und
Schließen
des freien Querschnitts des Kanalkörpers kann die Schallübertragung
durch die Übertragungsstrecke
aktiviert und deaktiviert werden. Durch eine entsprechende Kopplung
der Steuereinrichtung z. Bsp. mit dem Gaspedal des Fahrzeugs, lässt sich
ein direktes Feedback zwischen Leistungsanforderung und Leistungsabgabe über den
abgestrahlten Schall erreichen. Bei geschlossener Schallübertragungsstrecke
erfolgt im Wesentlichen keine Luftschallabstrahlung, während bei
geöffneter Übertragungsstrecke
der gesamte übertragende
Luftschall abgestrahlt wird. Dabei hat sich bei der Verwendung herkömmlicher
Schmetterlingsklappen als Stellglieder für diese Steuereinrichtungen
gezeigt, dass bereits ein geringer Öffnungsgrad die volle Schallübertragung
ermöglicht.
In der Folge steht nur ein extrem kleiner Stellwinkelbereich zur
Verfügung,
der eine Modulation der übertragenen
Schallpegel ermöglicht.
Um eine bessere Zuordnung zwischen der Höhe der Leistungsanforderung
und der Höhe
der von der Brennkraftmaschine erbrachten Leistung zu ermöglichen,
ist es erwünscht,
die Abstrahlung des von der Brennkraftmaschine erzeugten Luftschalls
in den Abstrahlraum hinsichtlich des Schalldruckpegels besser einstellen
zu können.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt
sich mit dem Problem, für
eine Vorrichtung der eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform
anzugeben, die sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass sich
der Schalldruckpegel des in den Abstrahlraum abgestrahlten Luftschalls
besser einstellen lässt.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß durch
die Gegenstände
der unabhängigen
Ansprüche
gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, das Stellglied mit
einer zum Kanalkörper hin
konvex gekrümmten
Steuerkontur auszustatten, die mit einer dem Stellglied zugewandten
Innenseite des Kanalkörpers
zum Einstellen des freien Querschnitts zusammenwirkt. Dabei erfolgt
die Einstellung des freien Querschnitts durch Verändern der
Relativlage zwischen Stellglied und Kanalkörper. Während ein als herkömmliche
Klappe ausgestaltetes Stellglied als Steuerkontur eine Klappenkante
besitzt, weist das Stellglied bei der hier vorgestellten Schallübertragungsvorrichtung
eine konvex gekrümmte
Steuerkontur auf. Die Erfindung nutzt hierbei die Erkenntnis, dass
eine Klappe mit Steuerkante für
die Steuerung der Luftschallausbreitung quasi digital wirkt, während eine
konvex gekrümmte
Steuerkontur die Ausbreitung des Luftschalls quasi analog steuert.
Somit lassen sich sehr viel mehr Zwischenstellungen realisieren.
Durch die vorgeschlagene Bauweise lässt sich der in den Abstrahlraum
abgestrahlte Luftschall hinsichtlich seines Schalldruckpegels vergleichsweise
einfach einstellen, da hierzu ein relativ großer Stellbereich des Stellglieds
zur Verfügung
steht. In der Folge lässt
sich die akustische Rückkopplung
zwischen Leistungsanforderung und tatsächlich erbrachter Leistung
feiner abstimmen und somit verbessern.
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Entsprechend
einer vorteilhaften Ausführungsform
können
die Steuerkontur und die Verstellbarkeit des Stellglieds so aufeinander
abgestimmt sein, dass in jeder Relativlage zwischen Stellglied und
Kanalkörper,
bei welcher ein geöffneter
freier Querschnitt vorliegt, zumindest im Längsschnitt des Kanalkörpers ein
senkrecht zur Schallausbreitungsrichtung bzw. senkrecht zur Längsmittelachse
des Kanalkörpers
gemessener Abstand zwischen der Innenseite des Kanalkörpers und
der Außenseite
des Stellglieds in der Schallausbreitungsrichtung stetig, also ungestuft,
bis zu einem den geöffneten
freien Querschnitt definierenden Maximum abnimmt und wieder zunimmt.
Mit anderen Worten, das Stellglied ist im Bereich seiner konvexen
Steuerkontur so gestaltet, dass daran keine die Schallausbreitung
beeinflussende Kante oder Stufe ausgebildet ist. Diese Formgebung
bzw. Abstimmung zwischen Steuerkontur und Verstellbarkeit des Stellglieds
unterstützt
somit die Erzielung eines vergleichsweise großen Stellbereichs für das Stellglied,
in dem sich der übertragbare
Schalldruckpegel einstellen lässt.
Je größer dieser
Stellbereich ist, desto „feiner” bzw. genauer
kann der übertragene
Schalldruckpegel eingestellt werden und desto besser lässt sich
die gewünschte
akustische Rückkopplung
realisieren.
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Entsprechend
einer anderen vorteilhaften Ausführungsform
können
Steuerkontur und Stellgliedverstellbarkeit so aufeinander abgestimmt
sein, dass eine in der Schallausbreitungsrichtung gemessene Länge der
Steuerkontur mit zunehmender Öffnungsfläche des
freien Querschnitts zunimmt. Diese Bauweise nutzt die Erkenntnis,
dass nicht nur der die Öffnungsfläche definierende
Abstand zwischen Steuerkontur und Kanalkörper, sondern auch die senkrecht
zum freien Querschnitt verlaufende Länge der Steuerkontur von wesentlicher
Bedeutung für
die Einstellung des übertragbaren
Schalldruckpegels ist. Während
bei einer Klappe mit Steuerkante die Länge der Steuerkontur in jeder
Stellung der Steuerklappe gleich groß ist, so dass der Schalldruckpegel
quasi nur über
die Öffnungsfläche gesteuert
werden kann, nutzt die Erfindung auch die Länge der Steuerkontur zum Einstellen
des übertragbaren
Schalldruckpegels.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, aus
den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand
der Zeichnungen.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert,
wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche
oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Es
zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine
stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung einer Brennkraftmaschine
mit Schallübertragungsvorrichtung,
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2 einen
Längsschnitt
durch eine Schallübertragungsvorrichtung.
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Entsprechend 1 umfasst
eine Brennkraftmaschine 1 einen Motorblock 2 mit
mehreren, hier nicht näher
gezeigten Zylindern. Die Brennkraftmaschine 1 ist bevorzugt
in einem Kraftfahrzeug, insbesondere in einem Personenkraftwagen,
angeordnet. Sie weist eine Frischluftanlage 3 zur Versorgung von
Brennräumen
des Motorblocks 2 mit Frischluft sowie eine Abgasanlage 4 auf,
welche Verbrennungsabgase von den Brennräumen des Motorblocks 2 abführt. Das
mit der Brennkraftmaschine 1 ausgestattete Fahrzeug ist
hier außerdem
mit einer Vorrichtung 5 zur Luftschallübertragung ausgestattet. Diese
Schallübertragungsvorrichtung 5 ist
dazu ausgestaltet, Luftschall von der Brennkraftmaschine 1 in einen
Abstrahlraum 6 zu übertragen.
Zu diesem Zweck weist die Schallübertragungsvorrichtung 5 eine Übertragungsstrecke 7 auf,
die sich zur Übertragung
von Luftschall eignet. Dementsprechend ist die Übertragungsstrecke 7 ein
Hohlkörper,
z. Bsp. ein Rohr oder ein Schlauch oder ein Kanal. Die Übertragungsstrecke 7 ist
eingangsseitig an die Brennkraftmaschine 1 angeschlossen.
Eine entsprechende Anschlussstelle ist dabei mit 8 bezeichnet
und durch einen Kreis symbolisiert. Im Beispiel ist die Übertragungsstrecke 7 an
die Frischluftanlage 3 angeschlossen, und zwar an eine
Frischluftleitung 9. Weitere Anschlussstellen 8' sind rein exemplarisch
und ohne Beschränkung
der Allgemeinheit z. Bsp. an einem Frischluftverteiler 10 der Frischluftanlage 3,
an einem Abgassammler 11 oder Abgaskrümmer 11 der Abgasanlage 4 oder
an einer Abgasleitung 12 der Abgasanlage 4 angedeutet.
Die jeweilige Anschlussstelle 8 ist dabei zweckmäßig gasdicht,
so dass keine Frischluft bzw. kein Abgas in die Übertragungsstrecke 7 gelangt.
Beispielsweise kann die jeweilige Anschlussstelle 8 eine
federelastische Membran aufweisen, welche die Schallübertragung
aus der Frischluft der Frischluftanlage 3 bzw. aus dem
Abgas der Abgasanlage 4 in die Übertragungsstrecke 7 ermöglicht.
Ebenso kann die Übertragungsstrecke 7 offen
in die Frischluftanlage 3 bzw. in die Abgasanlage 4 einmünden und
beabstandet zur Anschlussstelle 8 eine entsprechende Dichtung,
insbesondere eine Membran enthalten. Jedenfalls führt die Übertragungsstrecke 7 den
von der Brennkraftmaschine 1 bzw. von deren Motorblock 2 stammenden
Luftschall zum Abstrahlraum 6. Beim Abstrahlraum 6 kann
es sich um einen Motorraum oder um einen Teil des Motorraums handeln,
in dem sich zumindest der Motorblock 2 der Brennkraftmaschine 1 befindet.
Ebenso kann der Abstrahlraum 6 durch einen Teil der Umgebung
des Fahrzeugs handeln. Auch kann es sich beim Abstrahlraum 6 um
einen Fahrzeuginnenraum oder Fahrgastraum oder um zumindest einen
Teil davon handeln. Bevorzugt ist ein Austrittsende 13 oder Abstrahlende 13 der Übertragungsstrecke 7 im
Motorraum im Bereich einer den Motorraum vom Passagierraum trennenden
Spritzwand angeordnet. Ebenso kann das Abstrahlende 13 in
diese Spritzwand integriert sein. Ebenso ist es möglich, die Übertragungsstrecke 13 durch
die Spritzwand hindurchzuführen,
so dass das Abstrahlende 13 im Passagierraum angeordnet
ist.
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Die
Schallübertragungsvorrichtung 5 weist eine
Steuereinrichtung 14 auf, die in der Übertragungsstrecke 7 angeordnet
ist. Die Steuereinrichtung 14 weist ein Stellglied 15 auf,
mit dessen Hilfe ein freier Querschnitt eines Kanalkörpers 16 verändert werden
kann. Der Kanalkörper 16 kann
dabei ein Bestandteil der Steuereinrichtung 14 sein, der
auf geeignete Weise in die Übertragungsstrecke 7 eingebunden
ist. Ebenso kann es sich beim Kanalkörper 16 um einen Abschnitt
der Übertragungsstrecke 7 handeln.
Die Steuereinrichtung 14 weist im gezeigten Beispiel außerdem einen
Stellantrieb 17 zum Betätigen
des Stellglieds 15 auf. Desweiteren ist eine Steuerung 18 vorgesehen,
die in Abhängigkeit
von Eingangssignalen Ausgangssignale zum Ansteuern des Stellantriebs 17 generiert.
Die Eingangssignale korrelieren mit einer Stellung eines Gaspedals 19.
Hierzu kann die Steuerung 18 direkt mit einem Steuergerät 20 des
Gaspedals 19 verbunden sein. Ebenso ist es möglich, die
Steuerung 18 an eine Motorsteuerung anzuschließen, die
mit der Gaspedalsteuerung 20 gekoppelt ist. Ebenso kann
die Steuerung 18 in besagte Motorsteuerung hardwaremäßig integriert und/oder
softwaremäßig implementiert
sein.
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2 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform
der Steuereinrichtung 14, bei welcher der Kanalkörper 16 ein
Bestandteil der Steuereinrichtung 14 ist und auf geeignete
Weise in die Übertragungsstrecke 7 eingebunden
werden kann. Das Stellglied 15 ist relativ zum Kanalkörper 16 verstellbar.
Bevorzugt ist das Stellglied 15 dabei um eine Schwenkachse 21 verschwenkbar,
die in 2 senkrecht zur Zeichnungsebene verläuft. In 2 ist
der Kanalkörper 16 parallel
zu seiner Längsmittelachse 22 geschnitten dargestellt,
während
das Stellglied 15 ungeschnitten gezeigt ist. Das Stellglied 15 besitzt
eine den Kanalkörper 16 zugewandte
Außenseite 23,
und der Kanalkörper 16 weist
eine dem Stellglied 15 zugewandte Innenseite 24 auf.
Zumindest in der Ebene des gezeigten Längsschnitts weist das Stellglied 15 an
seiner Außenseite 23 eine
Steuerkontur 25 auf, die mit der Innenseite 24 des
Kanalkörpers 16 zum
Einstellen eines freien Querschnitts 26 des Kanalkörpers 16 zusammenwirkt.
Dabei hängt
die Größe des freien Querschnitts 26,
also die Öffnungsfläche des
freien Querschnitts 26 von der Relativlage zwischen Stellglied 15 und
Kanalkörper 16 ab.
Die Steuerkontur 25 ist zum Kanalkörper 16 hin konvex
gekrümmt.
Durch die konvexe Krümmung
wird eine Steuerkante vermieden. Desweiteren wird erreicht, dass
nicht nur die Öffnungsfläche des
freien Querschnitts den bis zum Abstrahlraum 6 gelangenden
Schalldruckpegel beeinflusst, sondern dass auch eine quer zum freien Querschnitt 26 gemessene
Länge der
Steuerkontur 25 einen wesentlichen Beitrag zur Beeinflussung
des übertragbaren
Schalldruckpegels liefert. Der Luftschall breitet sich im Kanalkörper 16 im
Wesentlichen parallel zur Längsmittelachse 22 aus.
Die Schallausbreitungsrichtung 27 ist hier durch einen
Pfeil angedeutet.
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Das
Stellglied 15 ist hinsichtlich seiner Steuerkontur 25 sowie
hinsichtlich seiner Verstellbarkeit bezüglich des Kanalkörpers 16 so
gestaltet, dass in allen Relativlagen, in denen ein geöffneter
freier Querschnitt 26 vorliegt, zumindest im Längsschnitt des
Kanalkörpers 16 ein
Abstand 28 zwischen der Innenseite 24 und der
Außenseite 23 in
der Schallausbreitungsrichtung 27 stetig bis zu einem Minimum
abnimmt und vom Minimum stetig wieder zunimmt. Das Minimum definiert
dabei den geöffneten
freien Querschnitt 26. Der Abstand 28 ist dabei
senkrecht zur Schallausbreitungsrichtung 27 gemessen. Durch
die stetige Zunahme bis zum Minimum, also bis zum freien Querschnitt 26 und
durch die stetige Zunahme ab dem Minimum kann eine relativ große Länge für die Steuerkontur 25 realisiert
werden, die ohne Stufe und ohne Kante ist. Die Länge der Steuerkontur 25 ist
in 2 exemplarisch für die eine Seite des Stellglieds 15 eingetragen
und mit 29 bezeichnet. Das Stellglied 15 kann
nun hinsichtlich seiner Steuerkontur 25 sowie hinsichtlich
seiner Verstellbarkeit relativ zum Kanalkörper 16 so ausgestaltet
sein, dass die Länge 29 der
Steuerkontur 25 beim Verstellen des Verstellglieds 15 mitvariiert
werden kann, und zwar derart, dass die Länge 29 mit zunehmender Öffnungsfläche des
freien Querschnitts 26 zunimmt. Das heißt, je größer der freie Querschnitt 26,
desto größer ist
auch die Länge 29 der
Steuerkontur 25. Erreicht wird dies bspw. durch die in 2 gezeigte
linsenförmige
Ausgestaltung des Stellglieds 15. Alternativ kann das Stellglied 15 auch
elliptisch ausgestaltet sein. Auch sind andere Formgebungen denkbar.
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Beispielsweise
kann ein Radius 30 der Außenseite zumindest im Längsschnitt
des Kanalkörpers 16 bzw.
des Stellglieds 15 ausgehend von einer Mittelebene 31,
welche die Schwenkachse 21 enthält, z. Bsp. im Uhrzeigersinn
von 0° bis
90° zunehmen
und von 90° bis
180° wieder
abnehmen oder weiter zunehmen oder konstant bleiben. Im Unterschied
dazu ist besagter Radius 30 bei einem linsenförmigen Stellglied 15 von
0° bis 180° konstant,
während
er bei einem elliptischen Stellglied 15 von 0° bis 90° zunimmt
und von 90° bis
180° wieder
abnimmt. Die Variation des Radius 30 kann dabei symmetrisch oder
asymmetrisch sein. Bevorzugt ist das Stellglied 15 bezüglich seiner
Mittelebene 31, in der sich die Schwenkachse 21 erstreckt,
spiegelsymmetrisch ausgestaltet z. Bsp. bei einer elliptischen oder
linsenförmigen
Formgebung. Bei einer anderen Ausführungsform ist das Stellglied 15 bezüglich der Schwenkachse 21 um
180° rotationssymmetrisch ausgestaltet.
Dies ist bei einer elliptischen oder linsenförmigen Formgebung ebenso der
Fall, wie bei einer Formgebung, bei welcher der Radius 30 von
0° bis 90° zunimmt
und von 90° bis
180° konstant
bleibt oder weiter zunimmt oder asymmetrisch abnimmt.
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Die
Schwenkachse 21 erstreckt sich quer zur Schallausbreitungsrichtung 27 und
erstreckt sich durch den Kanalkörper 16 hindurch,
und zwar insbesondere mittig. Das Stellglied 15 ist am
Kanalkörper 16 schwenkbar
gelagert. Entsprechende Lagerstellen sind hier nicht erkennbar.
Beispielsweise ist das Stellglied 15 drehfest mit einer
hier nicht gezeigten, koaxial zur Schwenkachse 21 verlaufenden
Welle verbunden. Ebenso kann das Stellglied 15 eine derartige
Welle oder Wellenabschnitte integral aufweisen. Zur Drehbetätigung des
Stellglieds 15 ist ein Antriebsarm 32 vorgesehen,
der drehfest mit der Welle bzw. dem jeweiligen Wellenabschnitt verbunden
ist und der bspw. über
ein Kugelkopfsegment 33 mit dem Stellantrieb 17 antriebsgekoppelt
werden kann. Der Antriebsarm 32 ist dabei außerhalb
des Kanalkörpers 16 angeordnet.
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Die
Formgebung des Stellglieds 15 ist des Weiteren vorzugsweise
so ausgeführt,
dass der Abstand 28 in einer die Schwenkachse 21 enthaltenden Querschnittsebene 34 beim
Verschwenken des Stellglieds 15 bei einer Öffnungsbewegung
stetig zunimmt. Bevorzugt nimmt besagter Abstand 28 in
diesem Querschnitt 34 von einer Schließstellung des Stellglieds 15 bis
zu einer maximal geöffneten
Offenstellung stetig zu.
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Im
Querschnitt, insbesondere in der Querschnittsebene 34 besitzt
der Kanalkörper 16 vorzugsweise
eine kreisförmige
Innenkontur. Gleichzeitig besitzt das Stellglied 15 in
seiner Schließstellung
in der Querschnittsebene 34 eine dazu komplementäre kreisförmige Außenkontur.
In dieser Schließstellung berührt die
Außenkontur
des Stellglieds 15 die Innenkontur des Kanalkörpers 16.
Diese Kontaktstelle zwischen Stellglied 15 und Kanalkörper 16 befindet
sich dabei im Bereich der Mittelebene 31 des Stellglieds 15.
Im Bereich dieser Kontaktstelle kann das Stellglied 15 mit
einer Dichtlippe ausgestattet sein, um für die Schließstellung
eine verbesserte Sperrwirkung zu realisieren. Das Stellglied 15 ist
grundsätzlich
als Vollkörper
realisierbar. Eine Ausgestaltung als Hohlkörper ist jedoch bevorzugt.
Insbesondere kann das Stellglied 15 aus Kunststoff hergestellt
sein.
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Der
Kanalkörper 16,
der im Beispiel der 2 ein bezüglich der übrigen Übertragungsstrecke 7 separates
Bauteil bildet, weist zweckmäßig zwei
Axialabschnitte 35 und 36 auf, die in einem Steckbereich 37 axial
ineinander gesteckt sind. Das Stellglied 15 ist dabei zweckmäßig genau
in diesem Steckbereich 37 am Kanalkörper 16 bzw. an den
Axialabschnitten 35, 36 gelagert. Beispielsweise
weist jeder Axialabschnitt 35, 36 zwei sich diametral
gegenüberliegende
Lagerhalbschalen oder Lagerhälften
auf, die im zusammengesteckten Zustand die Welle bzw. die Wellenabschnitte
des Stellglieds 15 umgreifen und das jeweilige Lager bzw.
die jeweilige Lagerschale komplettieren.
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Die
Steuerkontur 25 ist hinsichtlich ihrer Konvexität entsprechend
einer bevorzugten Ausführungsform
so geformt, dass sich eine im Wesentlichen lineare Proportionalität zwischen
dem Stellwinkel des Stellglieds 15 und dem vom Stellglied 15 durchgelassenen
Schalldruckpegel einstellt. Hierdurch kann über einen Verstellbereich,
der maximal 90° beträgt, jedoch
vorzugsweise kleiner als 90° ist, eine
feine bzw. präzise
Einstellung des gewünschten Schalldruckpegels
realisiert werden.