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Die Erfindung betrifft die Ansteuerung von Abgasklappenaktoren, insbesondere zur lastabhängigen Steuerung der Geräuschentwicklung in einem Fahrzeug.
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Fahrzeuge (z. B. Personenkraftwagen oder Automobile), insbesondere in der sogenannten Mittel- und Oberklasse sowie sportliche Fahrzeuge, besitzen meistens ein oder mehrere elektrische oder pneumatische Abgasklappen in der Abgasanlage des Fahrzeugs. Dies Abgasklappen können geöffnet bzw. geschlossen werden. Die in der Abgasanlage vorhandenen ein oder mehreren Abgasklappen können mehrere Anforderungen erfüllen. So können die Abgasklappen in bestimmten Bereichen gezielt zur Dämpfung von störenden Brummgeräuschen (insbesondere bei niedrigen Drehzahlen und hoher Last) eingesetzt (z. B. geschlossen) werden. Desweiteren können die Abgasklappen gezielt zur akustischen Differenzierung von verschiedenen Fahrerlebnisstufen wie einen „Komfort”-Modus oder einen „Sport”-Modus eingesetzt werden. Desweiteren können die ein oder mehreren Abgasklappen zur allgemeinen Reduzierung der Außengeräusche des Fahrzeugs verwendet werden.
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Somit kann durch Schließen der Abgasklappen die Geräuschemission des Fahrzeugs reduziert werden. Andererseits erhöht das Schließen der Abgasklappen typischerweise den Abgasgegendruck und damit den Verbrauch des Fahrzeugs. Das vorliegende Dokument adressiert die o. g. technischen Probleme. Insbesondere beschreibt das vorliegende Dokument eine Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren, mit denen die subjektiv empfundene Geräuschentwicklung beim Öffnen der Abgasklappen eines Fahrzeugs reduziert werden kann. Dadurch wird ein Öffnen der Abgasklappen (z. B. zur Reduzierung des Abgasgegendrucks) mit einer reduzierten Geräuschbelastung für die Umwelt ermöglicht.
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Gemäß einem Aspekt wird eine Steuereinheit für eine mehrflutige (insbesondere zweiflutige) Abgasanlage für ein Fahrzeug (z. B. einen Personenkraftwagen oder ein Automobil) beschrieben. Bei der Steuereinheit kann es sich beispielsweise um einen Prozessor mit geeigneter Software handeln. Die mehrflutige Abgasanlage umfasst einen ersten und einen zweiten Abgaskanal (auch als erstes und zweites Abgasrohr oder als erster und zweiter Abgasstrang bezeichnet). Die Abgaskanäle sind eingerichtet, Abgase von einem Verbrennungsmotor des Fahrzeugs aus dem Fahrzeug heraus zu leiten. Beispielsweise kann der Verbrennungsmotor im vorderen Bereich des Fahrzeugs angeordnet sein und die Abgaskanäle transportieren die Abgase vom vorderen Bereich des Fahrzeugs zu Mündungen der Abgaskanäle im hinteren Bereich des Fahrzeugs. Der Verbrennungsmotor kann aber auch in der Mitte oder im Heck des Fahrzeugs angeordnet sein. Auch in diesem Fall transportieren die Abgaskanäle die Abgase vom Verbrennungsmotor zu Mündungen der Abgaskanäle (welche typischerweise im hinteren Bereich des Fahrzeugs angeordnet sind).
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Der erste und zweite Abgaskanal können jeweils einen Primärpfad und einen Sekundärpfad aufweisen. Dabei können der Primärpfad und der Sekundärpfad jeweils einen Teil oder die gesamten Abgase des jeweiligen Abgaskanal aus dem Fahrzeug leiten. Der Primärpfad und der Sekundärpfad eines Abgaskanals können unterschiedliche Grade von Schalldämpfung aufweisen.
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Die Abgasanlage umfasst weiter eine erste und eine zweite Abgasklappe respektive für den ersten und den zweiten Abgaskanal. Dabei können die Abgasklappen eingerichtet sein, den jeweiligen Primärpfad zu öffnen bzw. zu schließen. Insbesondere kann die Abgasklappe eines Abgaskanals geschlossen werden und dadurch den Primärpfad des Abgaskanals schließen. In diesem Fall werden die (ggf. gesamten) Abgase aus dem Abgaskanal über den Sekundärpfad aus dem Fahrzeug geleitet. Andererseits kann die Abgasklappe geöffnet werden, so dass die Abgase aus dem Abgaskanal (ggf. nur teilweise auch) über den Primärpfad das Fahrzeug verlassen können.
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Desweiteren kann die Abgasanlage einen Schalldämpfer umfassen, der eingerichtet ist, den ersten und den zweiten Abgaskanal akustisch zu dämpfen. Dabei kann z. B. der Primärpfad eines Abgaskanals eine geringere Schalldämpfung aufweisen als der Sekundärpfad des Abgaskanals. Somit können durch Öffnen der Abgasklappe die Abgase des Abgaskanals über einen geräuschvolleren (aber typischerweise auch energetisch sparsameren) Pfad aus dem Fahrzeug geleitet werden. Das Öffnen der Abgasklappe könnte umgekehrt auch dazu führen, dass die Abgase des Abgaskanals über einen geräuschärmeren Pfad aus dem Fahrzeug geleitet werden.
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Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, die erste und die zweite Abgasklappe zeitversetzt gegeneinander, d. h. zu unterschiedlichen Zeitpunkten, zu öffnen bzw. zu schließen. Durch das zeitlich versetzte Öffnen bzw. Schließen der ersten und zweiten Abgasklappen kann ein Geräuschpegelsprung aufgrund des Öffnens bzw. des Schließens der ersten und zweiten Abgasklappen zeitlich entzerrt werden. Diese zeitliche Entzerrung des Geräuschpegelsprungs führt typischerweise zu einer verminderten Geräuschbelastung für die Umwelt um das Fahrzeug herum.
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Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, in Abhängigkeit von einem Betriebspunkt des Fahrzeugs, ein Öffnen bzw. Schließen der ersten und der zweiten Abgasklappe zu veranlassen. Desweiteren kann die Steuereinheit eingerichtet sein, das Öffnen bzw. Schließen der zweiten Abgasklappe gegenüber der ersten Abgasklappe zu verzögern.
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Zu diesem Zweck kann die Steuereinheit eine zentrale Steuerfunktion umfassen, die eingerichtet ist, anhand eines Betriebspunktes des Fahrzeugs zunächst einen gemeinsamen Zeitpunkt für das Öffnen bzw. das Schließen der ersten und zweiten Abgasklappe zu ermitteln. Desweiteren kann die Steuereinheit eine Verzögerungsfunktion umfassen, die eingerichtet ist, das Öffnen bzw. das Schließen der ersten Abgasklappe an dem ermittelten gemeinsamen Zeitpunkt zu veranlassen, und das Öffnen bzw. das Schließen der zweiten Abgasklappe gegenüber dem ermittelten gemeinsamen Zeitpunkt zeitlich zu verschieben. Durch eine derartige Aufteilung der Funktionen der Steuereinheit kann die zeitliche Verzögerung der ersten und zweiten Abgasklappen in effizienter Weise implementiert werden. Insbesondere kann auf eine mglw. bereits bestehende zentrale Steuerfunktion (für das zeitgleiche Öffnen bzw. Schließen der Abgasklappen) zurückgegriffen werden. Die Verzögerungsfunktion kann dann in effizienter Weise als „Add-on” Funktion implementiert werden
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Das Ausmaß der Verzögerung für das Öffnen bzw. Schließen der zweiten Abgasklappe (d. h. das Zeitintervall zwischen dem Öffnen bzw. Schließen der ersten und der zweiten Abgasklappe) kann von ein oder mehreren Zustandsparametern des Fahrzeugs abhängig sein. Die Zustandsparameter des Fahrzeugs können ein oder mehrere der folgenden Parameter umfassen. Alternativ oder ergänzend kann auch der Betriebspunkt des Fahrzeugs von ein oder mehreren der folgenden Parameter abhängen: eine Last des Motors des Fahrzeugs, eine Drehzahl des Motors des Fahrzeugs, eine eingelegte Gangstufe, eine Temperatur des Motors des Fahrzeugs, ein Fahrmodus des Fahrzeugs, und/oder eine Auslenkung eines Gaspedals des Fahrzeugs.
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In einer vorteilhaften Ausführung können die erste und die zweite Abgasklappe (ggf. ausschließlich) zwischen einem stabilen geschlossenen und einem stabilen geöffneten Zustand geschaltet werden. Insbesondere können die erste und die zweite Abgasklappe nicht mit unterschiedlichen Öffnungswinkeln (zwischen dem stabilen geschlossenen und einem stabilen geöffneten Zustand) betrieben werden. Durch das „binäre” Öffnen bzw. Schließen der Abgasklappen können Strömungsgeräusche (insbesondere bei geringen Öffnungswinkeln) vermieden werden. Außerdem sind Abgasklappen, welche nur in einem stabilen geschlossenen oder in einem stabilen geöffneten Zustand betrieben werden können, kostengünstiger und weniger fehleranfällig.
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Ein Zeitintervall zwischen dem Öffnen oder dem Schließen der ersten und zweiten Abgasklappe kann gleich wie oder größer als ein vordefinierter Zeitschwellwert sein. Dabei kann der vordefinierte Zeitschwellwert derart gewählt sein, dass das zeitversetzte Öffnen bzw. Schließen der Abgasklappen von einem menschlichen Gehör als mindestens zwei unterschiedliche Pegeldifferenzen wahrgenommen wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine mehrflutige Abgasanlage für ein Fahrzeug beschrieben. Die mehrflutige Abgasanlage umfasst einen ersten und einen zweiten Abgaskanal, die eingerichtet sind, Abgase von einem Verbrennungsmotor des Fahrzeugs aus dem Fahrzeug zu leiten. Dabei können der erste und zweite Abgaskanal jeweils einen Primärpfad und einen Sekundärpfad aufweisen. Desweiteren umfasst die Abgasanlage eine erste und eine zweite Abgasklappe respektive für den ersten und den zweiten Abgaskanal. Dabei können die Abgasklappen eingerichtet sein, den jeweiligen Primärpfad zu öffnen bzw. zu schließen. Desweiteren umfasst die Abgasanlage typischerweise einen Schalldämpfer, der eingerichtet ist, den ersten und den zweiten Abgaskanal akustisch zu dämpfen. Dabei können die Primärpfade eine unterschiedliche (z. B. eine geringere oder eine höhere) Schalldämpfung aufweisen als die Sekundärpfade. Desweiteren umfasst die Abgasanlage eine in diesem Dokument beschriebene Steuereinheit.
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Bei dem Schalldämpfer kann es sich z. B. um einen Nachschalldämpfer handeln. Die Abgasanlage kann noch weitere Schalldämpfer umfassen, z. B. einen Mittelschalldämpfer und/oder einen Vorschaudämpfer. Die Abgasklappen können zwischen dem Mittelschalldämpfer und dem Nachschalldämpfer der Abgasanlage angeordnet sein. Alternativ oder ergänzend können die Abgasklappen auch stromabwärts von dem Nachschalldämpfer angeordnet sein. Mit anderen Worten, die Abgasklappen können in den Endrohren der Abgaskanäle zwischen Nachschalldämpfer und Mündung des jeweiligen Abgaskanals angeordnet sein.
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Die Abgasanlage kann werter ein oder mehrere Übersprechstellen zwischen dem ersten Abgaskanal und dem zweiten Abgaskanal aufweisen. Der Verbrennungsmotor des Fahrzeugs kann eine Vielzahl von Zylinder (z. B. 6 oder 8 Zylinder) umfassen. Der erste Abgaskanal kann mit einer ersten Untermenge der Vielzahl von Zylinder und der zweite Abgaskanal kann mit einer zweiten Untermenge der Vielzahl von Zylinder gekoppelt sein. Die erste und zweite Untermenge können disjunkt sein und/oder die Vereinigung der ersten und zweiten Untermenge kann der Vielzahl von Zylinder entsprechen. Somit können die Abgaskanäle am motorseitigen Ende jeweils Abgase von unterschiedlichen Untermengen von Zylindern des Verbrennungsmotors transportieren. Die ein oder mehreren Übersprechstellen zwischen den Abgaskanälen können einen Teil der in den Abgaskanälen geführten Abgase mischen, so dass an der Mündung der Abgaskanäle, der erste und der zweite Abgaskanal Abgasanteile aus der Vielzahl von Zylinder des Verbrennungsmotors umfasst (z. B. jeweils aus allen Zylindern des Verbrennungsmotors).
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Die Abgase aus den Zylindern können derart gemischt werden, dass wenn eine der beiden Abgasklappen geschlossen und die andere Abgasklappe geöffnet ist, Abweichungen der akustischen Beiträge (z. B. Abweichungen der Geräuschpegel) der Vielzahl von Zylindern zu dem Geräusch (z. B. dem gesamten Geräuschpegel) am Ausgang der Abgasanlage gleich wie oder kleiner als ein vordefinierter akustischer Schwellwert ist. Mit anderen Worten, die ein oder mehreren Übersprechstellen können derart eingerichtet sein, dass auch bei einer geschossenen und einer geöffneten Abgasklappe, alle Zylinder des Verbrennungsmotors (in etwa gleichem Maße) zu dem Geräusch am Ausgang der Abgasanlage beitragen. Dadurch können unangenehme Veränderungen der akustischen Zusammensetzung (insbesondere des Frequenzspektrums) durch das Öffnen bzw. Schließen der Abgasklappen vermieden werden.
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Mit noch anderen Worten, der Verbrennungsmotor kann eine Vielzahl von Zylinder umfassen und der erste und zweite Abgaskanal können an einem dem Verbrennungsmotor zugewendeten Ende jeweils Abgase der ersten respektive zweiten Untermenge der Vielzahl von Zylinder führen. Die Abgasanlage kann ein oder mehrere Übersprechstellen zwischen dem ersten und dem zweiten Abgaskanal umfassen. Die ein oder mehreren Übersprechstellen können derart ausgelegt sein, dass (auch) wenn eine der Abgasklappen geschossen ist und eine andere der Abgasklappen geöffnet ist, ein akustischer Beitrag der Vielzahl von Zylinder zu einem Geräuschpegel an einem Umweltseitigen Ende des ersten und zweiten Abgaskanals (d. h. am Ausgang der Abgasanlage) substantiell gleichverteilt ist. Die ein oder mehreren Übersprechstellen können weiter derart ausgelegt sein, dass (auch) wenn die erste und zweite Abgasklappe geschossen sind und/oder die erste und zweite Abgasklappe geöffnet sind, der akustische Beitrag der Vielzahl von Zylinder zu dem Geräuschpegel an dem Umweltseitigen Ende des ersten und zweiten Abgaskanals substantiell gleichverteilt ist. Insbesondere können die ein oder mehreren Übersprechstellen derart ausgelegt sein, dass ein Öffnen bzw. Schließen einer Abgasklappe nicht zu einer (substantiellen) Veränderung der Verteilung des akustischen Beitrags der Vielzahl von Zylinder zu dem Geräuschpegel an dem Umweltseitigen Ende des ersten und zweiten Abgaskanals führt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Fahrzeug (insbesondere ein zweispuriges Fahrzeug) beschrieben, dass eine in diesem Dokument beschriebene Abgasanlage umfasst.
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Desweiteren wird ein Verfahren beschrieben, das z. B. von der Steuereinheit ausgeführt werden kann. Das Verfahren kann Merkmale umfassen, die den beschriebenen Merkmalen der Steuereinheit entsprechen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Software (SW) Programm beschrieben. Das SW Programm kann eingerichtet werden, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen. Das SW Programm kann Bestandteil eines Motorsteuergeräts des Fahrzeugs sein. Mit anderen Worten, das SW Programm kann auf einem Motorsteuergerät des Fahrzeugs implementiert sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speichermedium beschrieben. Das Speichermedium kann ein SW Programm umfassen, welches eingerichtet ist, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
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Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Desweiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtung und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigt
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1 ein Blockdiagram einer beispielhaften zweibordigen oder zweiflutige Abgasanlage;
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2a einen beispielhaften Verlauf des Geräuschpegels an der Mündung der Abgasanlage in Abhängigkeit vom Zustand der Abgasklappen;
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2b einen beispielhaften Verlauf des Geräuschpegels an der Mündung der Abgasanlage in Abhängigkeit von der Anzahl geöffneter Abgasklappen;
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2c einen beispielhaften Verlauf des Geräuschpegels an der Mündung der Abgasanlage bei zeitversetzter Öffnung der Abgasklappen;
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3a ein Blockdiagram einer beispielhaften Vorrichtung zur Steuerung der Abgasklappen; und
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3b ein Blockdiagram einer weiteren beispielhaften. Vorrichtung zur Steuerung der Abgasklappen.
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Wie eingangs dargelegt, werden in Fahrzeugen häufig Abgasklappen verwendet, um die Außengeräusche des Fahrzeugs in Abhängigkeit von einem Betriebspunkt des Fahrzeugs zu verändern. Insbesondere können Abgasklappen dazu verwendet werden, in Abhängigkeit von dem Betriebspunkt des Fahrzeugs einen Kompromiss zwischen Außengeräuschen des Fahrzeugs und Verbrauch des Fahrzeugs einzustellen.
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1 zeigt ein Blockdiagram einer beispielhaften Abgasanlage 100 für ein Fahrzeug. Bei der dargestellten Abgasanlage 100 handelt es sich um eine zweibordige oder zweiflutige Abgasanlage mit zwei Abgasrohren 110, 120, d. h. einem ersten Abgasrohr 110 und einem zweiten Abgasrohr 120 (auch als Abgaskanäle bezeichnet). Desweiteren umfasst die Abgasanlage 100 ein Schalldämpfungselement 101, um Geräusche aus dem Motor des Fahrzeugs zu dämpfen. Jedes Abgasrohr 110, 120 ist aufgeteilt in einen Primärpfad 113, 123 und einen Sekundärpfad 112, 122, wobei in dem dargestellten Beispiel, im Sekundärpfad 112, 122 eine höhere Dämpfung erfolgt als im Primärpfad 113, 123. Andererseits ist typischerweise der Abgasgegendruck im Sekundärpfad 112, 122 höher als im Primärpfad 113, 123, was zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch führt.
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Das Schalldämpfungselement 101 (z. B. ein Nachschalldämpfer) umfasst zur Dämpfung beispielsweise eine Reflexionskammer und ein (subjektiv) längeres Endrohr. Damit kann eine hohe Dämpfung bei geringem Abgasgegendruck erreicht werden.
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Die Abgasanlage 100 umfasst weiter eine erste Abgasklappe 111 (im ersten Abgasrohr 110) und eine zweite Abgasklappe 121 (im zweiten Abgasrohr 120). Die Abgasklappen 111, 121 können geöffnet werden, so dass (wie in 1 gezeigt) die Abgase sowohl über den Primärpfad 113, 123 (relativ großer Anteil) als auch über den Sekundärpfad 112, 122 (relativ kleiner Anteil) das Fahrzeug verlassen. Die Geräuschentwicklung des Fahrzeugs ist typischerweise bei geöffneten Abgasklappen 111, 121 höher als bei geschlossenen Abgasklappen 111, 121, da ein Großteil des Abgases über den Primärpfad 113, 123 (d. h. über den weniger gedämpften Pfad) das Fahrzeug verlässt.
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Andererseits können die Abgasklappen 111, 121 geschlossen werden, so dass der Primärpfad 113, 123 unterbrochen wird, und die Abgase nur über den Sekundärpfad 112, 122 das Fahrzeug verlassen können. Das Schließen der Abgasklappen 111, 121 reduziert typischerweise die Außengeräusche des Fahrzeugs, da die Abgase über den stärker gedämpften Sekundärpfad 112, 122 das Fahrzeug verlassen. Andererseits wird durch den erhöhten Abgasgegendruck der Verbrauch des Fahrzeugs erhöht.
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Im Prinzip könnten die Abgasklappen 111, 121 noch in Zwischenstufen zwischen dem Zustand „geschlossen” und dem Zustand „geöffnet” betrieben werden. Insbesondere könnten die Abgasklappen 111, 121 mit unterschiedlichen Öffnungswinkeln betrieben werden. Dadurch könnte durch die Veränderung des Öffnungswinkels theoretisch ein Kompromiss zwischen Außengeräuschen und Verbrauch eingestellt werden. Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass sich der Mündungspegel (d. h. die Geräuschpegel am Ausgang der Abgasanlage 100) nicht linear proportional zum Öffnungswinkel ändert. Insbesondere konnte gezeigt werden, dass es bei den ersten ca. 10 Grad Öffnungswinkel bereits zu einer hohen Geräuschentwicklung kommt. D. h. bereits eine geringe Öffnung der Abgasklappen 111, 121 führt zu einer relativ hohen Geräuschentwicklung. Desweiteren führen geringe Öffnungswinkel zu einer Vielzahl von Nachteilen. Insbesondere kann eine nicht vollständig geschlossene bzw. leicht geöffnete Abgasklappe 111, 121 hohe Strömungsgeräusche bei erhöhtem Massendurchsatz unter Volllast erzeugen. Derartige Strömungsgeräusche werden bzgl. der Akustik des Fahrzeugs von einem Fahrer typischerweise als nachteilig empfunden bzw. als nicht hinnehmbar bewertet.
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Außerdem sind regelbare Abgasklappen 111, 121 mit einstellbaren Öffnungswinkeln typischerweise mit signifikant höheren Kosten verbunden. Regelbare Abgasklappen benötigen insbesondere eine interne Lageerfassung und evtl. eine darauf aufbauende Lageregelung. Eine solche Lageerfassung ist bei Verstellkomponenten typischer sehr kostenintensiv und fehleranfällig.
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Aus den oben genannten Gründen ist daher die Verwendung von „binären” Abgasklappen 111, 121, d. h. von Abgasklappen 111, 121 die nur zwischen den Zuständen „offen” und „geschlossen” geschaltet werden können, vorteilhaft.
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Wie in 1 dargestellt, werden insbesondere bei sportlichen Fahrzeugen häufig zweiflutige Abgasanlagen 100 eingesetzt. Diese Abgasanlagen 100 besitzen für jeden Strang 110, 120 eine separate Abgasklappe 111, 121. Es ist nun gewünscht, einen möglichst optimalen Kompromiss zwischen zwei Anforderungen an eine Abgasanlage 100 zu finden:
- • Anforderung 1: Es soll ein hoher Komfort bereitgestellt werden (z. B. in einem Komfort-Modus des Fahrzeugs). Ein hoher Komfort erfordert typischerweise eine hohe Dämpfung durch eine entsprechende Abgasanlagenauslegung in Verbindung mit geschlossenen Abgasklappen 111, 121. Geschlossene Abgasklappen 111, 121 führen jedoch zu einem erhöhten Abgasgegendruck, was typischerweise negative Konsequenzen auf den Kraftstoffverbrauch und/oder auf das Ansprechverhalten des Fahrzeugs hat.
- • Anforderung 2: Es soll eine möglichst sportliche Akustik bereitgestellt werden (z. B. in einem Sport-Modus des Fahrzeugs). Eine sportliche Akustik geht meist mit einer möglichst minimalen Dämpfung durch eine entsprechende Abgasanlagenauslegung in Verbindung mit geöffneten Abgasklappen 111, 121 einher. Das Öffnen der Abgasklappen 111, 121 führt zu einem niedrigen Abgasgegendruck, was typischerweise positive Konsequenzen auf den Kraftstoffverbrauch und/oder auf das Ansprechverhalten des Fahrzeugs hat.
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2a zeigt einen beispielhaften Mündungsverlauf des Geräuschpegels 202 einer sportlich ausgelegten zweibordigen Abgasanlage 100 mit zwei Abgasklappen 111, 121. Die Kurve 205 zeigt den Verlauf des Geräuschpegels 202 in Abhängigkeit von der Motordrehzahl 201 für den Fall, dass beide Abgasklappen 111, 121 geschossen sind und Kurve 204 zeigt den Verlauf des Geräuschpegels 202 in Abhängigkeit von der Motordrehzahl 201 für den Fall, dass beide Abgasklappen 111, 121 geöffnet sind. Bei sportlich ausgelegten Abgasanlagen 100 kann der Pegelunterschied zwischen den Kurven 205 und 204 – speziell bei Volllast – sehr hoch sein.
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Die Abgasklappen 111, 121 können in Abhängigkeit von dem Betriebszustand des Fahrzeugs (z. B. Abhängig von der Motordrehzahl und/oder von der Last des Fahrzeugs) geöffnet oder geschlossen werden. Beispielsweise können bei niedriger Motordrehzahl (z. B. bei Fahrten in der Stadt) die Abgasklappen 111, 121 geschlossen werden, um die Außengeräusche des Fahrzeugs zu reduzieren und um ein unangenehmes „Brumm”-Geräusch des Motors bei niedrigen Drehzahlen zu dämpfen. Andererseits können bei höheren Motordrehzahlen (z. B. bei Fahrten auf der Autobahn) die Abgasklappen 111, 121 geöffnet werden, um den Verbrauch des Fahrzeugs zu senken und um dem Fahrer ggf. einen sportliches Fahrerlebnis zu vermitteln.
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Folglich kann eine Beschleunigung des Fahrzeugs (und damit eine Erhöhung der Drehzahl des Motors) ein Öffnen der Abgasklappen 111, 121 bewirken. Zu dem Zeitpunkt T1, wenn die Abgasklappen 111, 121 gleichzeitig geöffnet werden, ist der Pegelunterschied 203 zwischen den Kurven 205 und 204 von Bedeutung. Wenn es zum Zeitpunkt T1 (z. B. unter Volllast) zum gleichzeitigen Öffnen beider Abgasklappen 111, 121 kommt, hat dies sowohl subjektiv als auch objektiv (d. h. physikalisch messbar) einen relativ großen Pegelsprung P1 203 zur Folge. Ein derartig extremer Pegelsprung 203 zwischen einer Abgasanlage 100 mit geschlossenen Abgasklappen A1 (auf Kurve 205) und einer Abgasanlage 100 mit geöffneten Abgasklappen A2 (auf Kurve 204) stellt eine unerwünschte Außengeräusch-Belastung für die Umwelt dar.
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In diesem Dokument wird daher vorgeschlagen, einen weiteren Zustand zu berücksichtigen, bei dem eine der beiden Abgasklappen 111 geschlossen ist, und die andere Abgasklappe 121 geöffnet ist. 2b zeigt weitere beispielhafte Mündungsverläufe des Geräuschpegels 202 (bei Volllast) in Abhängigkeit von der Drehzahl 201. Neben dem Verlauf 205 für zwei geschlossene Klappen und dem Verlauf 204 für zwei geöffnete Klappen, wird der Verlauf 206 gezeigt, bei dem nur eine der beiden Klappen geöffnet ist. Die in 2b gezeigten Verläufe 204, 205, 206 wurden für eine Abgasanlage 100 mit zwei Abgasklappen 111, 121 und einem relativ großen Abgasübersprechen zwischen den Strängen 110, 120 mit offener bzw. geschlossener Abgasklappe ermittelt.
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Bei Verwendung eines Zustands, bei dem eine der beiden Abgasklappen 111 geschlossen ist, und die andere Abgasklappe 121 geöffnet ist, ist ein relativ großes Abgasübersprechen zwischen den beiden Abgassträngen 110, 120 von Vorteil, da dadurch die akustischen Beiträge beider Abgasstränge 110, 120 gemischt werden. So kann sichergestellt werden, dass die drei Zustände, d. h. „beide Klappen geschlossen”, „eine Klappe geöffnet”, „beide Klappen geöffnet”, eine ähnliche akustische Zusammensetzung haben (insbesondere im Hinblick auf das Frequenzspektrum) und es bei dem Übergang zwischen den Zuständen nicht zu unangenehmen Veränderungen der akustischen Zusammensetzung kommt (z. B. zu einer Veränderung des Frequenzspektrums der Geräusche an der Mündung der Abgasanlage).
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Jeder Abgasstrang 110, 120 der Abgasanlage 100 kann einer Teilmenge von Zylindern des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs zugeordnet sein. Beispielsweise können bei einem 6-Zylinder Motor, 3 Zylinder dem ersten Abgasstrang 110 und die 3 anderen Zylinder dem zweiten Abgasstrang 120 zugeordnet sein. Bei einem 6-Zylinder kommt es zu 3 Verbrennungen je Motorumdrehung. Entsprechend können an der Mündung der Abgasanlage drei Impulse pro Motorumdrehung wahrbenommen werden, was zu einem Abgasgeräusch 3. Ordnung führt. In ähnlicher Weise führt ein 8-Zylinder Motor zu einem Abgasgeräusch 4. Ordnung.
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Bei einer zweiflutigen Abgasanlage 100 ohne Übersprechstelle zwischen den beiden Strängen 110, 120, kann es in dem Zustand mit einer geöffneten Abgasklappe 111 und einer geschlossenen Abgasklappe 121 dazu kommen, dass an dem lauteren Abgasrohr 110 (mit der geöffneten Abgasklappe 111) die Geräusche am Ausgang der Abgasanlage 100 dominieren. Das würde dazu führen, dass bei einem 6-Zylinder Motor nur 1,5 Impulse pro Motorumdrehung (die sogenannte 1,5 Ordnung) wahrgenommen wird. Die 1,5 (zeitversetzten) Impulse aus dem anderen Abgasrohr 120 (mit der geschlossenen Abgasklappe 121) waren gedämpft, und nicht mehr wahrnehmbar. Somit würde es im Vergleich zu den Zuständen „beide Klappen geschlossen” und „beide Klappen geöffnet” zu einer Frequenzmodulation kommen, die von der Umwelt und/oder von den Insassen des Fahrzeugs als unangenehm wahrgenommen werden könnte.
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Eine Übersprechstelle zwischen den Abgasrohren 110, 120 der Abgasanlage 100 kann bereits vor den Abgasklappen 111, 121 für einen akustischen Ausgleich zwischen den Abgasrohren sorgen, so dass in allen Abgasrohren 110, 120 ein gleiches oder ähnliches akustisches Gemisch vorliegt. Insbesondere kann in den Abgasrohren 110, 120 das akustische Gemisch ein gleiches oder ähnliches Spektrum aufweisen. Die Übersprechstelle kann z. B. im Mittelschalldämpfer und/oder zwischen Mittelschalldämpfer und Nachschalldämpfer und/oder im Nachschalldämpfer angeordnet sein. In der Abgasanlage 100 in 1 wird beispielsweise durch die Sekundärpfade 112, 122 ein Übersprechstelle zwischen den Abgassträngen 110, 120 bereitgestellt.
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Es wird in diesem Dokument vorgeschlagen, die Pegelkurve 206 (mit einer verschlossenen und einer offenen Abgasklappe) zu nutzen, um einen stufenweisen Übergang zwischen der Pegelkurve 205 (mit zwei geschlossenen Abgasklappen) und der Pegelkurve 204 (mit zwei geöffneten Abgasklappen) zu ermöglichen. Wie oben dargelegt, löst ein bestimmter Betriebszustand des Fahrzeugs einen Schaltzeitpunkt T1 aus, bei dem die Abgasklappen 111, 121 geöffnet werden. Der Schaltzeitpunkt T1 kann z. B. durch hinterlegte Kennfelder ermittelt werden. In diesem Dokument wird vorgeschlagen, den Übergang von der Pegelkurve 205 zur Pegelkurve 204 zu entzerren, indem zum Schaltzeitpunkt T1 zunächst nur eine der beiden Abgasklappen 111, 121 geöffnet wird (so dass eine Pegeldifferenz zu Pegelkurve 206 erfolgt). Die zweite Abgasklappe kann dann nach bestimmten Kriterien verspätet bzw. zeitlich versetzt geöffnet werden (so dass eine zweite Pegeldifferenz von Pegelkurve 206 zu Pegelkurve 204 erfolgt).
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Dies ist in 2c dargestellt. Insbesondere zeigt 2c die Pegeldifferenz 213 von der Pegelkurve 205 zur Pegelkurve 206 zum Schaltzeitpunkt T1 und die Pegeldifferenz 223 von der Pegelkurve 206 zur Pegelkurve 204 zu dem verzögerten Schaltzeitpunkt T2. Die Entzerrung der Pegeldifferenz führt zu einer subjektiv und objektiv messbaren Verringerung der Geräuschbelastung.
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Mit anderen Worten, wenn bei einer Volllastbeschleunigung des Fahrzeugs der Kennfeldpunkt T1 (durch den ein Betriebszustand des Fahrzeugs wiedergegeben wird) erreicht wird, so wird zunächst eine der Abgasklappen 111, 121 von „zu” nach „auf” geschaltet. Dadurch kommt es zu einem subjektiv und messtechnisch deutlich kleineren Pegelsprung 213 von A1 nach A2. Erst zu einem späteren Zeitpunkt T2 (und/oder bei Erreichung eines verlagerten Kennfeldpunktes T2) erfolgt der zweite Pegelsprung 223 von A3 nach A4. Die zweite Abgasklappe kann dabei auf Basis von verschiedenen Kriterien geöffnet werden, wobei das Öffnen der zweiten Abgasklappe zeitlich versetzt gegenüber dem Öffnen der ersten Abgasklappe erfolgen sollte. Durch den zeitlichen Versatz kommt es zu zwei kleineren Pegelsprüngen 213, 223 die zeitlich auseinander liegen. Je nachdem wie lange die Verweilzeit zwischen der ersten und zweiten Schaltung der Klappen andauert, können auch messtechnisch drei kleine Pegelsprünge entstehen (wobei der dritte Pegelsprung der Transition von A3 zu A4 entlang der Pegelkurve 206 entspricht). Subjektiv entsteht durch den langgezogenen Übergang zwischen dem Ausgangszustand, bei dem zwei Abgasklappen „zu” sind, und dem Endzustand, bei dem zwei Abgasklappen ”auf” sind, ein homogenerer Verlauf, der von der Umwelt als weniger störend empfunden wird, als der in 2a dargestellte direkte Übergang.
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3a zeigt ein Blockdiagram einer beispielhaften Vorrichtung 300 zur Steuerung der Abgasklappen 111, 121 einer Abgasanlage 100. Die Vorrichtung 300 umfasst eine Grundfunktion für die Abgasklappensteuerung F1 301. In dieser Funktion 301 werden anhand verschiedenster Zustandsinformationen mittels eines oder mehrerer Kennfelder die Abgasklappen 111, 121 gesteuert. Meist werden die Abgasklappen 111, 121 in Abhängigkeit von der Drehzahl und dem eingelegten Gang über den Pedalwert (d. h. der Auslenkung des Gaspedals des Fahrzeugs) gesteuert. Auch einige übergeordnete Funktionen wie z. B. das Katheizen (das Heizen des Katalysators) können bewirken, dass die Abgasklappen 111, 121 geschlossen werden. Die Steuerfunktion F1 301 kann z. B. als Software auf einem Prozessor (Steuergerät) des Fahrzeugs implementiert werden. Die Steuerfunktion 301 kann Teil der Motorsteuerung des Fahrzeugs sein.
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Desweiteren umfasst die Vorrichtung 300 zur Steuerung der Abgasklappen 111, 121 Treiberfunktion F2/F3 und Treiberhardware H1/H2 311, 321 für die jeweiligen Abgasklappen 111, 121. Die Einheiten 311, 321 können sich ebenfalls in der Motorsteuerung des Fahrzeugs befinden. Die Treiberfunktionalität steuert typischerweise die entsprechende Ausgangssignalleitung oder Endstufe an und kann zusätzlich Umfänge zur Schnittstellendiagnose umfassen. Beide Treiber 311, 321 greifen dabei typischerweise parallel auf die gleiche Stellvorgabe aus der Grundfunktion F1 301 zurück.
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Desweiteren umfasst die Vorrichtung 300, typischerweise außerhalb der Motorsteuerung, Aktorik K1/K2 312, 322, welche eingerichtet ist, die jeweilige Abgasklappe 111, 121 zu schalten. Die Aktorik 312, 322 kann ein elektrisches Umschaltventil umfassen, welches eine oder mehrere pneumatisch betätigte Abgasklappen 111, 121 schaltet. Alternativ oder ergänzend kann die Aktorik 312, 322 je einen elektrischen Stellmotor umfassen, der nach Signalvorgabe die Abgasklappen 111, 121 selbständig in die verschiedenen Anschläge („offen” oder „geschlossen”) fährt.
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3b zeigt eine Vorrichtung 350 zur Steuerung der Abgasklappen 111, 121, welche ein zusätzliche Steuereinheit F4 351 umfasst. Prinzipiell könnte die komplette Abgasklappenfunktion F1 301 mit allen Kennfeldern für jede Abgasklappe 111, 121 gespiegelt werden, um ein zeitlich versetztes Schalten der Abgasklappen 111, 121 zu ermöglichen. Dies würde jedoch zu einem erhöhten Verbrauch von Ressourcen (Rechenleistung, Speicherplatz, etc.) führen, da die Steuerfunktion F1 301 für jede Klappe 111, 121 separat bereitgestellt werden müsste. Außerdem müssten dann für die jeweiligen Funktionen F1 301 für die jeweilige Abgasklappe 111, 121 unterschiedliche Kennfelder hinterlegt werden, um ein zeitversetztes Schalten der Abgasklappen 111, 121 zu gewährleisten.
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Die in 3b gezeigte Lösung unter Verwendung einer zwischengeschalteten Steuerfunktion F4 (auch als Verzögerungsfunktion bezeichnet) 351 nimmt dagegen ein gemeinsames Steuersignal für beide Abgasklappen 111, 121 von der Grundsteuerfunktion F1 301 auf und bewirkt daraufhin eine Verzögerung von einer der beiden Abgasklappen. Mit anderen Worten, die zwischengeschaltete Steuerfunktion F4 351 verarbeitet den gemeinsamen Verstellwunsch der Steuerfunktion F1 301 und gibt den Verstellwunsch an die erste Klappe 111 direkt und an die zweite Klappe 121 versetzt weiter.
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Die verzögerte Weitergabe des Verstellwunsches kann vorzugsweise über eine Hysteresefunktion in Abhängigkeit verschiedener Sollwertvorgaben erfolgen. Dabei können eine zeitliche Konstante und/oder ein Kennfelder mit verschiedenen Sollwertvorgaben verwendet werden. Beispielhafte Parameter für eine entsprechende Funktionalität sind eine Verzögerung als Funktion der Motordrehzahl, Geschwindigkeit, Gangstufe, Pedalwert, Motortemperatur, Fahrmodus (Komfort, Sport oder Sport+), Betriebsart, und/oder Motorzustand.
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In diesem Dokument wurden ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung beschrieben, die es ermöglichen, den Geräuschpegelsprung beim Öffnen (oder Schließen) der Abgasklappen eines Fahrzeugs zu reduzieren und dadurch die Geräuschbelastung für die Umwelt zu reduzieren. Das beschriebene zeitversetzte Öffnen/Schließen der Abgasklappen ermöglicht eine Modulation des Geräuschpegels wie dies z. B. durch Verwendung von Abgasklappen mit einstellbaren Öffnungswinkeln der Fall ist. Es werden hier jedoch ausschließlich binär zu schließende bzw. zu öffnende Abgasklappen verwendet, wodurch ein unangenehmes Strömungsrauschen vermieden werden kann und wodurch die Kosten der Abgasanlage reduziert werden können. Außerdem haben binäre Abgasklappen im Vergleich zu Abgasklappen mit einstellbaren Öffnungswinkeln typischerweise eine höhere Lebensdauer und dadurch eine verringerte Ausfallrate.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.
