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Stand der Technik
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In Brennkraftmaschinen werden im Ansaugtrakt Luftfilter eingesetzt, um Schmutzpartikel aus der angesaugten Luft herauszufiltern. Wenn der Luftfilter während des Betriebes verschmutzt, führt dies aufgrund einer erhöhten Drosselung im Ansaugtrakt zu negativen Auswirkungen auf die Leistung des Fahrzeugs. Eine erhöhte Drosselung im Bereich des Luftfilters kann beispielsweise über eine Differenzdruckmessung ermittelt werden, wobei ein Differenzdruck zwischen einem Umgebungsdruck und einem Saugrohrdruck bestimmt wird. Dabei kann ein Druckabfall bei einem verschmutzten Luftfilter erheblich sein. Für die Differenzdruckmessung sind jedoch wenigstens zwei Drucksensoren sowie eine entsprechende Steuereinheit notwendig, um eine Luftfilterverschmutzung anzuzeigen. Von daher sind die bekannten Systeme relativ teuer. Ferner ist aus der
US 7,016,506 B2 ein Luftfilter bekannt, bei dem ein Mikrophon direkt im Luftfilter angeordnet und ferner ein Lautsprecher in einem Luftfiltergehäuse angeordnet ist. Das Mikrophon nimmt Geräusche im Inneren des Luftfilters auf und eine Steuereinheit steuert den Lautsprecher derart, dass dieser einen Gegenschall erzeugt, um Geräusche von einem Motor eines Fahrzeugs, welche durch den Luftfilter nach außen dringen könnten, in möglichst großem Umfang zu kompensieren. Das Mikrophon dient dabei nur zur Aufnahme von Geräuschen aus dem Motorbereich des Fahrzeugs.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass sie auf sichere und zuverlässige Weise eine Verschmutzung eines Luftfilters erfassen kann. Dabei ist die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders kostengünstig aufgebaut und insbesondere kann auf teure und anfällige Sensoren verzichtet werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Vorrichtung ein Mikrophon sowie eine Signalverarbeitungseinheit aufweist. Das Mikrophon ist in einem Gehäuse des Luftfilters angeordnet. Das Mikrophon kann dabei kontinuierlich oder in vorbestimmten Abständen Geräusche im Gehäuse des Luftfilters aufnehmen. Die Signalverarbeitungseinheit ist mit dem Mikrophon verbunden und umfasst eine Vergleichereinrichtung sowie eine Ausgabeeinrichtung. Die Signalverarbeitungseinheit ist dabei derart ausgelegt, dass mittels der Vergleichereinrichtung ein vom Mikrophon übertragenes Geräuschsignal mit einem gespeicherten Geräuschsignal verglichen wird und bei einer Abweichung zwischen dem übertragenen und dem gespeicherten Geräuschsignal ein Anzeigesignal für eine Verschmutzung über die Ausgabeeinrichtung ausgegeben wird. Somit kann erfindungsgemäß durch einfaches Aufnehmen von Geräuschen im Gehäuse des Luftfilters auf eine Verschmutzung des Luftfilters rückgeschlossen werden. Dies ist deshalb möglich, da der Luftfilter bei einer vorhandenen Verschmutzung seine Dämpfungseigenschaften ändert, so dass ein Motorgeräusch mit zunehmender Verschmutzung in Strömungsrichtung der Luft vor dem Luftfilter tendenziell leiser wird. Auch ändert sich ein Durchströmungsgeräusch mit einer zunehmenden Verschmutzung des Luftfilters, so dass auch aus einer Änderung dieses Durchströmungsgeräuschs auf eine Verschmutzung des Luftfilters geschlossen werden kann.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Um eine besonders zuverlässige Verschmutzungserfassung im Luftfilter zu ermöglichen, ist das Mikrophon in Strömungsrichtung der Luft vorzugsweise vor dem Luftfilter angeordnet.
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Weiter bevorzugt umfasst die Vorrichtung ferner einen Signalfilter, insbesondere einen Bypassfilter, welcher die vom Mikrophon aufgenommenen Geräuschsignale filtert. Besonders bevorzugt ist ferner ein Integrierer vorgesehen, welcher das gefilterte Geräuschsignal integriert. Die integrierten Signale können dabei sehr gut als Maß für die Verschmutzung herangezogen werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst die Vorrichtung einen Lautsprecher, welcher in Strömungsrichtung der Luft nach dem Luftfilter angeordnet ist. Der Lautsprecher erzeugt dabei ein definiertes Testgeräusch, welches durch den Luftfilter hindurchtritt und vom Mikrophon aufgenommen werden kann. Das vom Mikrophon aufgenommene Testgeräusch wird wieder als Geräuschsignal an die Signalverarbeitungseinheit übertragen. Die Signalverarbeitungseinheit vergleicht dabei mittels der Vergleichereinrichtung das Testgeräusch mit einem gespeicherten Geräusch und gibt bei einer Abweichung ein entsprechendes Anzeigesignal für eine Verschmutzung des Luftfilters aus. Der Laufsprecher ist dabei an einer dem Mikrophon gegenüberliegenden Seite des Luftfilters angeordnet, so dass der von dem Lautsprecher erzeugte Schall durch den Luftfilter hindurchtreten muss, um vom Mikrophon aufgenommen zu werden. Dabei ist es auch möglich, dass das Mikrophon abwechselnd Geräusche des Lautsprechers aufnimmt sowie Geräusche, welche vom Motor durch den Luftfilter hindurchtreten, aufnimmt. Besonders bevorzugt ist dabei eine Frequenz des Testgeräuschs des Lautsprechers derart gewählt, dass die Frequenz außerhalb der menschlichen Wahrnehmung liegt. Hierdurch treten keine unerwünschten Geräusche während der Überprüfung des Luftfilters auf.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst die Vorrichtung ferner ein zweites Mikrophon, so dass in Strömungsrichtung der Luft ein Mikrophon vor und ein Mikrophon nach dem Luftfilter angeordnet ist. Beide Mikrophone sind mit der Signalverarbeitungseinheit verbunden und übertragen jeweils ein Geräuschsignal. Die Signalverarbeitungseinheit umfasst dabei eine Berechnungseinrichtung, die ausgelegt ist, ein Geräuschsignal des ersten und zweiten Mikrophons zu filtern und zu integrieren und einen Quotienten der integrierten Geräuschsignale der beiden Mikrophone zu erzeugen. Eine Veränderung des Quotienten über die Zeit ermöglicht dabei eine Überwachung einer Verschmutzung des Luftfilters. Alternativ oder zusätzlich kann der Quotient auch jeweils mit einem gespeicherten Wert verglichen werden und bei einer Abweichung vom gespeicherten Wert auf einen verschmutzten Luftfilter geschlossen werden.
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Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Erfassung einer Luftfilterverschmutzung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- – Aufnehmen eines Geräusches in einem Gehäuse des Luftfilters,
- – Vergleichen des aufgenommenen Geräusches mit einem gespeicherten Sollgeräusch und/oder Vergleichen des Geräusches über die Zeit, um eine Änderung des Geräusches zu erfassen, und
- – Ausgeben einer Verschmutzungsanzeige, wenn das Geräusch vom gespeicherten Sollgeräusch um einen vorbestimmten Wert abweicht und/oder wenn das Geräusch sich über die Zeit um einen vorbestimmten Wert ändert. Dadurch kann eine einfache und sichere Erfassung eines verschmutzten Luftfilters ermöglicht werden.
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Vorzugsweise ist das erfindungsgemäße Verfahren derart modifiziert, dass ein definiertes Testgeräusch mittels eines Lautsprechers erzeugt wird und durch den Luftfilter hindurchgeführt wird und das Testgeräusch mittels des Mikrophons aufgenommen wird und, wie oben erläutert, überprüft wird.
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Weiter bevorzugt werden zwei Geräusche an unterschiedlichen Positionen des Luftfilters, d. h., in Strömungsrichtung der Luft vor und nach dem Luftfilter, mittels zweier Mikrophone aufgenommen, so dass die Verschmutzungsbestimmung anhand von zwei Geräuschsignalen ausgeführt werden kann. Dabei können die beiden Geräuschsignale vorzugsweise gefiltert und integriert werden und weiter bevorzugt ein Quotient errechnet werden, welcher über die Zeit und/oder mit einem gespeicherten Quotienten verglichen wird.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren können dabei bei allen Arten von Brennkraftmaschinen oder anderen Vorrichtungen, welche einen Luftfilter aufweisen, verwendet werden.
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Zeichnung
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Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
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2 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 eine Vorrichtung 1 zur Erfassung einer Verschmutzung eines Luftfilters 4 im Detail beschrieben.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst die Vorrichtung 1 ein Gehäuse 2 mit einem Gehäuseinnenraum 3, in welchem der Luftfilter 4 angeordnet ist. Das Gehäuse 2 ist an einem ersten Ende mit einer Zufuhrleitung 5 und an einem zweiten Ende mit einer Abfuhrleitung 6 verbunden. Luft wird dabei, wie in 1 durch den Pfeil A angedeutet, über die Zufuhrleitung 5 in den Gehäuseinnenraum 3 zugeführt, durch den Luftfilter 4 hindurchgeführt (Pfeil B) und über die Abfuhrleitung 6, beispielsweise zu einer Brennkraftmaschine zugeführt (Pfeil C). Der Luftfilter 4 hat dabei die Aufgabe, die zugeführte Luft zu filtern, so dass keine unerwünschten Partikel zur Brennkraftmaschine gelangen.
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Wie weiter aus 1 ersichtlich ist, ist im Gehäuse 2 ein Mikrophon 7 und ein Lautsprecher 10 angeordnet. Das Mikrophon 7 ist in Strömungsrichtung der Luft vor dem Luftfilter 4 angeordnet und der Lautsprecher 10 ist in Strömungsrichtung der Luft nach dem Luftfilter 4 angeordnet. Das Mikrophon 7 und der Lautsprecher 10 sind mit einer Signalverarbeitungseinheit 8 verbunden. Ferner ist eine Ausgabeeinheit 9 mit der Signalverarbeitungseinheit 8 verbunden, welche ein optisches und/oder akustisches Signal, beispielsweise in einem Fahrzeuginneren, ausgeben kann.
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Die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erfassung einer Verschmutzung des Luftfilters 4 ist dabei wie folgt: Geräusche von der Brennkraftmaschine werden über die Abfuhrleitung 6 entgegen der Strömungsrichtung der Luft und durch den Luftfilter 4 bis zum Mikrophon 7 geleitet. Das Mikrophon 7 kann dabei die Geräusche umwandeln und ein entsprechendes Geräuschsignal an die Signalverarbeitungseinheit 8 übermitteln. Die Signalverarbeitungseinheit 8 kann mittels einer Vergleichereinrichtung das vom Mikrophon 7 erhaltene Geräuschsignal mit einem gespeicherten Geräuschsignal vergleichen. Sobald eine vorbestimmte Abweichung zwischen dem erhaltenen Geräuschsignal und dem gespeicherten Geräuschsignal auftritt, gibt die Signalverarbeitungseinheit 8 ein Anzeigesignal an die Ausgabeeinheit 9 ab. Eine Veränderung des mittels des Mikrophons 7 aufgetretenen Geräuschsignals tritt dann auf, wenn der Luftfilter sich mit der Zeit verschmutzt. Aufgrund der Verschmutzung ändert der Luftfilter 4 seine Dämpfungseigenschaften, so dass ein Motorgeräusch, welches durch den Luftfilter 4 hindurchgeführt wird, mit zunehmender Verschmutzung stärker gedämpft wird und somit tendenziell leiser wird. Somit wird die durch die Verschmutzung hervorgerufene Änderung der Dämpfungseigenschaften und somit eine Änderung der durch den Luftfilter 4 hindurchtretenden Geräusche als Indikator für eine Verschmutzung des Luftfilters genutzt. Zusätzlich kann die Signalverarbeitungseinheit auch über den Lautsprecher 10 ein definiertes Testgeräusch ausgeben, welches, wie durch den Pfeil D angedeutet, entgegen der Strömungsrichtung der Luft durch den Luftfilter 4 tritt und vom Mikrophon 7 aufgenommen wird. Bei einer Verschmutzung des Luftfilters ändert sich ebenfalls das vom Lautsprecher 10 abgegebene Testgeräusch, so dass daraus auf eine Verschmutzung des Luftfilters geschlossen werden kann.
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Hierbei sei angemerkt, dass die Überprüfung sowohl mittels des durch den Luftfilter 4 hindurchtretenden Motorgeräuschs erfolgen kann und/oder durch Überwachung des vom Lautsprecher 10 abgegebenen Testgeräuschs erfolgen kann. Vorteilhaft werden beide Geräuschquellen, d. h., die Brennkraftmaschine sowie der Lautsprecher, genutzt, um so eine Redundanz bei der Überprüfung des Luftfilters zu haben. Es sei ferner angemerkt, dass grundsätzlich auch der Lautsprecher 10 in Strömungsrichtung vor dem Luftfilter 4 angeordnet sein und das Mikrophon 7 in Strömungsrichtung nach dem Luftfilter angeordnet werden könnte. Dann kann jedoch eine Überprüfung der Verschmutzung des Luftfilters 4 lediglich mittels der vom Laufsprecher 10 erzeugten Testgeräusche erfolgen. Es sei ferner angemerkt, dass die Verwendung des Lautsprechers auch noch den Vorteil aufweist, dass ein Testgeräusch auch bei stehendem Motor erzeugt werden kann und somit eine Verschmutzung des Luftfilters auch ohne Motorlauf ausgeführt werden kann. Dabei kann das Testgeräusch auf eine passende Frequenz abgestimmt werden, mit der eine Dämpfung des Luftfilters besonders gut erkannt werden kann und/oder welche vom menschlichen Ohr nicht wahrgenommen wird.
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Es sei ferner angemerkt, dass mittels des Mikrophons 7 auf eine Änderung eines Durchtrittsgeräuschs der Luft durch den Luftfilter erfasst werden kann. Wenn nämlich herausgefilterte Partikel den Luftfilter 4 zusetzen, ändert sich auch ein Durchströmungsgeräusch der Luft, welches als Maß für eine Verschmutzung des Luftfilters verwendet werden kann.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 kann somit bei sehr einfachem und sehr kostengünstigem Aufbau eine sichere Bestimmung einer Verschmutzung eines Luftfilters ermöglichen, wobei auch eine redundante Überprüfung mit einfachen Mitteln möglich ist. Hierbei kann auf teure und aufwendige Sensorik verzichtet werden. Auch die Auswertung mittels der Signalverarbeitungseinheit ist sehr einfach und robust.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 2 eine Vorrichtung 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben, wobei gleiche bzw. funktional gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet sind.
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Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist beim zweiten Ausführungsbeispiel zusätzlich noch ein zweites Mikrophon 11 vorgesehen, welches in Strömungsrichtung der Luft nach dem Luftfilter 4 angeordnet ist. Somit weist die Vorrichtung 1 zwei Mikrophone auf, wobei eines vor und eines nach dem Luftfilter 4 angeordnet ist. Hierdurch werden der Signalverarbeitungseinheit 8 zwei Geräuschsignale, nämlich eines von dem ersten Mikrophon 7 und eines von dem zweiten Mikrophon 11 zugeführt. Dabei nimmt das zweite Mikrophon 11 das Motorgeräusch vor dem Luftfilter 4 auf und das Mikrophon 7 nimmt das Motorgeräusch nach Durchtreten durch den Luftfilter 4 auf. Die beiden Geräuschsignale können nun vorzugsweise Bandpassgefiltert und integriert und einer Auswertung zugeführt werden. Steigt z. B. der Integratorwert in einem typischen Betriebspunkt, wie z. B. einem Leerlauf der Brennkraftmaschine, langsamer an, so kann auf eine Luftfilterverschmutzung geschlossen werden und ein entsprechendes Signal ausgegeben werden. Alternativ oder zusätzlich können ebenfalls die Durchströmungsgeräusche der Luft durch den Luftfilter 4 von zwei Seiten des Luftfilters aufgenommen und ausgewertet werden. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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