DE102014001786A1

DE102014001786A1 - Aktive Schalldämpfereinrichtung für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102014001786A1
Application number: DE102014001786.9A
Authority: DE
Inventors: Andreas Graefenstein
Original assignee: Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Mann and Hummel GmbH
Priority date: 2013-03-26
Filing date: 2014-02-12
Publication date: 2014-10-02

Abstract

Eine aktive Schalldämpfereinrichtung für eine Brennkraftmaschine weist einen Lautsprecher auf, dessen Lautsprechermembran mit einer der Brennkraftmaschine zugeordneten, gasführenden Leitung kommuniziert. Das der Lautsprechermembran abgewandte Rückvolumen des Lautsprechers ist von einem Lautsprechergehäuse umschlossen, das druckdicht gegenüber der Umgebung ausgebildet ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine aktive Schalldämpfereinrichtung für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Stand der Technik
In der EP 05 42 749 B1 wird eine aktive Schalldämpfereinrichtung im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine beschrieben, wobei die Schalldämpfereinrichtung zwei diametral gegenüberliegende Lautsprecher aufweist, die in der Wandung eines zylindrischen Gehäuses angeordnet sind, welches die Abgasleitung umgreift. Die Lautsprecher befinden sich jeweils an der Innenwand des zylindrischen Gehäuses, die einen Ringraum um die Abgasleitung begrenzt, in den hinein die vom Lautsprecher ausgesandten Schallwellen übertragen werden. Der Ringraum kommuniziert mit der Abgasleitung über deren freie Stirnseite.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Maßnahmen eine aktive Schalldämpfereinrichtung für eine Brennkraftmaschine anzugeben, deren Wirkungsweise zumindest weitgehend unbeeinflusst von Druckschwankungen ist.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
Die aktive Schalldämpfereinrichtung reduziert Geräuschentwicklungen in einer gasführenden Leitung der Brennkraftmaschine durch eine phasenverschobene Schallerzeugung, welche mittels mindestens eines Lautsprechers generiert wird, der als elektrodynamisch betriebener Tauchspulen-Aktuator ausgeführt ist. Die Schalldämpfereinrichtung wird vorzugsweise im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine eingesetzt, wobei sowohl eine Anordnung auf der Rohluftseite als auch auf der Reinluftseite eines Luftfilters im Ansaugtrakt in Betracht kommt. Zweckmäßigerweise ist die aktive Schalldämpfereinrichtung unmittelbar am Anfang des Ansaugrohrs des Ansaugtraktes angeordnet, wobei die Schalldämpfereinrichtung dem Luftfilter vorgelagert angeordnet ist. Gegebenenfalls kommt auch eine Integration in den Luftfilter in Betracht.
Grundsätzlich ist auch eine Anwendung der aktiven Schalldämpfereinrichtung im Abgasstrang der Brennkraftmaschine möglich. In diesem Fall handelt es sich bei der gasführenden Leitung um den Abgasstrang.
Des Weiteren kann die aktive Schalldämpfereinrichtung auch in Hybridfahrzeugen eingesetzt werden, welche als Antriebsquelle sowohl eine Brennkraftmaschine als auch einen Elektromotor aufweisen. Die Schalldämpfereinrichtung kann durch Betätigung des Lautsprechers zur Fußgängerwarnung eingesetzt werden, wenn sich das Fahrzeug im elektromotorisch angetriebenen Betriebsmodus befindet.
Der Lautsprecher bzw. die Lautsprechermembran kommuniziert mit dem Inneren der der Brennkraftmaschine zugeordneten, gasführenden Leitung, um die gewünschte Schallauslöschung durch phasenverschobene Schallgenerierung zu erzeugen. Um eine Beeinflussung des Lautsprecherverhaltens durch den Umgebungsdruck zumindest signifikant zu reduzieren, ist die der Lautsprechermembran abgewandte Rückseite bzw. das Rückvolumen des Lautsprechers von einem Lautsprechergehäuse umschlossen, das druckdicht gegenüber der Umgebung ausgebildet ist. Dadurch ist sichergestellt, dass der Druck im Rückvolumen des Lautsprechers, welches von dem Lautsprechergehäuse umschlossen ist, nicht mit der Umgebung kommunizieren kann, so dass kein Druckausgleich zwischen dem Rückvolumen und der Umgebung stattfindet. Dadurch wird Unabhängigkeit des Rückvolumens des Lautsprechers vom Umgebungsdruck erreicht, außerdem ist das Rückvolumen gegenüber Druckschwankungen, welche vom Motor herrühren und die sich bis in die unmittelbare Umgebung der gasführenden Leitung ausbreiten, abgeschlossen. Druckbedingte Vorauslenkungen der Lautsprechermembran und des Spulensystems des Lautsprechers aus der Ruhelage, welche die akustische Wirkung beeinflussen können, werden auf diese Weise stark gemindert.
Ein weiterer Vorteil dieser Ausführung ist darin zu sehen, dass das Lautsprechergehäuse und das Rückvolumen verhältnismäßig klein ausgebildet sein können. Grundsätzlich genügt es, dass das Lautsprechergehäuse die im Lautsprecher für die Schallerzeugung erforderlichen Baueinheiten, insbesondere Magnete und Spulen umschließt, wobei das Rückvolumen auf der der Lautsprechermembran abgewandten Rückseite grundsätzlich klein gehalten werden kann. Insgesamt ergibt sich hierdurch ein kleiner Bauraumbedarf für den Lautsprecher. Das Lautsprechergehäuse bildet einen Bestandteil des Lautsprechers und gemeinsam mit diesem eine Baueinheit.
Das Lautsprechergehäuse umschließt den Lautsprecher so weit, dass das Rückvolumen auch gegenüber dem Inneren der gasführenden Leitung abgeschlossen ist. Auf diese Weise wird verhindert, dass die mit hoher Frequenz erfolgenden Druckschwankungen zu einer Beeinflussung des Schallerzeugungsverhaltens des Lautsprechers führen. Derartige Druckschwankungen dringen nicht bis zu den für die Schallerzeugung verantwortlichen Bauteilen des Lautsprechers vor, insbesondere zu Tauchspulen, welche die Lautsprechermembran auslenken. Das Lautsprechergehäuse schließt das Rückvolumen außerhalb einer beispielsweise als Korb ausgebildeten Halterungseinrichtung für die Membran des vorzugsweise konusförmigen Lautsprechers ab.
Gemäß zweckmäßiger Ausführung sitzt der Lautsprecher unmittelbar an der Wandung der gasführenden Leitung, in die eine Öffnung eingebracht ist, an der die Membrane sitzt bzw. die zu der Membrane führt. Bei der Wandung handelt es sich vorzugsweise um den Rohrmantel der gasführenden Leitung, so dass der Lautsprecher radial zur Leitung angeordnet ist. Grundsätzlich kommt aber auch eine Anordnung des Lautsprechers an einer axialen Stirnseite der Leitung in Betracht.
Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung ist das vom Lautsprechergehäuse umschlossene Rückvolumen hermetisch gegenüber dem Inneren der gasführenden Leitung abgeschlossen. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass das Rückvolumen nicht von dem Druck in der gasführenden Leitung beeinflusst wird. Insbesondere Druckschwankungen, die in der gasführenden Leitung durch die Kolbenbetätigung der Brennkraftmaschine herrschen, können sich nicht auf das Rückvolumen und damit auf die Schallgenerierung auswirken.
Gemäß einer weiteren, alternativen Ausführung ist vorgesehen, dass das vom Lautsprechergehäuse umschlossene Rückvolumen über eine Druckausgleichseinrichtung mit dem Inneren der gasführenden Leitung verbunden ist. Die Druckausgleichseinrichtung ist so ausgelegt, dass nur langsame Druckänderungen sich auf das Rückvolumen des Lautsprechers auswirken, wohingegen schnelle Druckschwankungen über die Druckausgleichseinrichtung von dem Rückvolumen ferngehalten werden. Die Druckausgleichseinrichtung ermöglicht beispielsweise einen Volumenaustausch in Höhe von 50 ccm/min bei einem Druckgefälle von 50 mbar zwischen dem Inneren der gasführenden Leitung und dem Rückvolumen des Lautsprechers. Der Druckausgleich findet in signifikant größeren Zeiträumen als die Druckschwankungen statt.
Die Druckausgleichseinrichtung ist beispielsweise als eine Drossel oder ein Druckausgleichskanal in der Wandung des Lautsprechergehäuses ausgebildet, wobei im Falle eines Druckausgleichskanals Durchmesser in der Größenordnung von bis zu 5 mm in Betracht kommen, insbesondere in einem Bereich bis maximal 2 mm. Der Arbeitsbereich des Lautsprechers zur Schallauslöschung liegt beispielsweise im Bereich zwischen 0 Hz bis etwa 2 kHz. Grundsätzlich können bei niedrigeren Arbeitsfrequenzen des Lautsprechers größere Durchmesser für den Druckausgleichskanal gewählt werden.
Im Falle von relativ großen Durchmessern des Druckausgleichskanals kann es zweckmäßig sein, zusätzlich einen mit dem Druckausgleichskanal verbundenen Schlauch im Innern des von dem Gehäuse umschlossenen Rückvolumens vorzusehen, welcher einen akustischen Kurzschluss durch den Druckausgleichskanal verhindern soll. Ein Ende des Schlauchs ist mit dem Druckausgleichskanal verbunden, das gegenüberliegende, freie Ende des Schlauchs ragt in das Rückvolumen ein.
Vorteilhafterweise ist das Lautsprechergehäuse kalottenförmig bzw. teilkugelförmig ausgebildet. Auf diese Weise kann eine klein bauende Ausführung erreicht werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
1 in schematischer Darstellung eine gasführende Leitung, welche einer Brennkraftmaschine zugeordnet ist, mit einem Lautsprecher an der Leitungswandung, dessen Rückvolumen von einem Lautsprechergehäuse umschlossen ist,
2 eine ähnliche Ausführung wie 1, jedoch mit einem Druckausgleichskanal im Lautsprechergehäuse zwischen dem Rückvolumen und dem Inneren der gasführenden Leitung,
3 in vergrößerter Darstellung der Lautsprecher mit Lautsprechergehäuse und Druckausgleichskanal, an den ein in das Rückvolumen einragender Schlauch angeschlossen ist.
In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 ist als gasführende Leitung 1 der Ansaugtrakt bzw. -kanal einer Brennkraftmaschine dargestellt, der in Pfeilrichtung von der herangeführten Verbrennungsluft durchströmt wird, welche den Zylindern der Brennkraftmaschine zugeführt wird. Am Ansaugkanal 1 ist eine aktive Schalldämpfereinrichtung 2 mit einem elektrodynamisch betriebenen, mit einem Tauchspulen-Aktuator versehenen Lautsprecher 3 angeordnet, welcher in an sich bekannter Weise einen Magneten mit Tauchspulen aufweist, die eine an einem konischen Korb aufgehängte Lautsprechermembran auslenken.
In den Rohrmantel der Leitung 1 ist eine Öffnung eingebracht, an der der Lautsprecher 3 angeordnet ist, wobei die Lautsprechermembran 4 unmittelbar der Öffnung zugewandt ist, so dass eine radiale Ausrichtung des Lautsprechers bezogen auf die Längsachse der Leitung 1 gegeben ist und von dem Lautsprecher ausgesandte Schallwellen sich zunächst in Radialrichtung und anschließend in Achsrichtung ausbreiten. Um Geräuschentwicklungen im Ansaugtrakt 1 auszulöschen bzw. zumindest zu reduzieren, werden über den Lautsprecher 3 Schallwellen definierter Frequenz und Amplitude erzeugt, die gegenüber den sich in Längsrichtung ausbreitenden Schallwellen der Geräuschentwicklung phasenverschoben sind, so dass eine Schallauslöschung stattfindet.
Das der Lautsprechermembran 4 abgewandte Rückvolumen 5 des Lautsprechers 3 ist von einem Lautsprechergehäuse 6 eingeschlossen, welches fester Bestandteil des Lautsprechers 3 ist. Das Lautsprechergehäuse 6 ist kalotten- bzw. teilkugelförmig ausgebildet und schottet das Rückvolumen 5, in welchem der Druck p2 herrscht, gegenüber der Umgebung mit dem Umgebungsdruck p0 hermetisch ab. Über das Lautsprechergehäuse 6 ist der Lautsprecher 3 an der Wandung der Leitung 1 befestigt.
In der Leitung 1 herrscht der Druck p1, welcher von einem statischen Mitteldruck und schnellen Druckschwankungen, die von der Brennkraftmaschine herrühren, bestimmt wird. Der statische Mitteldruck wird im Wesentlichen vom Umgebungsdruck bestimmt. Das Rückvolumen 5 ist über das Lautsprechergehäuse 6 auch gegenüber dem Inneren der Leitung 1 mit dem dort herrschenden Druck p1 abgeschottet, so dass insbesondere die Druckschwankungen, welche in der Leitung 1 vorherrschen, sich nicht auf das Rückvolumen 5 sowie auf die Tauchspulen im Lautsprecher 3 auswirken können und die Arbeitsweise des Lautsprechers 3 von den Druckschwankungen 3 im Wesentlichen unbeeinflusst bleibt. Die Auslenkung h der Lautsprechermembran 4 wird somit in gewünschter Weise von der Betätigung über die Tauchspulen bestimmt.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist in das Lautsprechergehäuse 6 eine Druckausgleichseinrichtung in Form eines Druckausgleichskanals 7 eingebracht, über den das Rückvolumen 5 des Lautsprechers 3 mit dem Innern der Leitung 1 kommuniziert. Der Druckausgleichskanal 7 in der Wandung des Lautsprechergehäuses 6 ist so bemessen, dass die in der Leitung 1 herrschenden, höherfrequenten Druckschwankungen nicht über den Druckausgleichskanal 7 auf das Rückvolumen 5 übertragen werden. Die Durchlässigkeit des Druckausgleichkanals 7 ändert sich mit der Frequenz der Druckschwankungen. Auf Grund physikalischer Effekte ist eine kleine Bohrung nicht oder zumindest wenig durchlässig für hochfrequente Druckschwankungen, kann aber von Luft gleichmäßigen Luftdrucks durchströmt werden, beispielsweise während die Brennkraftmaschine nicht in Betrieb ist. Über den Druckausgleichskanal 7 findet nur ein Druckausgleich bezüglich des Mitteldrucks statt, wobei die Austauschrate zwischen dem Inneren der Leitung 1 und dem Rückvolumen 5 so bemessen ist, dass ein Druckausgleich nur in Zeitspannen stattfinden kann, welche einen Schwellenwert überschreiten, beispielsweise größer als eine Minute sind. Die Austauschrate über den Druckausgleichskanal 7 beträgt beispielsweise 50 ccm/min bei einem Druckgefälle von 50 mbar zwischen p1 in der Leitung 1 und p2 im Rückvolumen 5.
Grundsätzlich kommt auch ein Druckausgleich zwischen der Leitung 1 und dem Rückvolumen 5 durch Ausbilden der Wandung des Lautsprechergehäuses 6 an der Leitung 1 als gasdurchlässiger, druckkompensierender Wandabschnitt in Betracht. Beispielsweise kann das Lautsprechergehäuse 6 in diesem Wandabschnitt so porös ausgeführt sein, dass die gewünschte Druckausgleichs- bzw. Leckrate gegeben ist. Gegenüber der Umgebung mit dem Umgebungsdruck p0 ist dagegen das Gehäuse 6 druckdicht ausgeführt.
Auch im Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist in die Wandung des Lautsprechergehäuses 6 im Übergang zur Leitung 1 ein Druckausgleichskanal 7 eingebracht. Innerhalb des vom Lautsprechergehäuse 6 umschlossenen Rückvolumens 5 ist an den Druckausgleichskanal 7 ein Schlauch 8 angeschlossen, welcher die Funktion hat, einen akustischen Kurzschluss durch den Druckausgleichskanal 7 zu vermeiden. Je nach Auslegung kann der Druckausgleichskanal 7 einen Durchmesser von bis zu 5 mm aufweisen. Je niedriger die Arbeitsfrequenz des Aktuators ist, desto größer ist der Durchmesser des Druckausgleichskanals 7. Um bei verhältnismäßig großen Durchmessern akustische Störungen bzw. Verzerrungen durch den Druckausgleichskanal 7 zu vermeiden, wird der Schlauch 8 an der Innenseite des Druckausgleichskanals 7 befestigt, wodurch die akustischen Störungen und Verzerrungen in Richtung höherer Frequenzen verschoben werden, was jedoch weniger störend ist.
In den Ausführungsbeispielen liegt der Lautsprecher 3 nahe der Einströmseite an der Leitung 1 und insbesondere stromauf eines Luftfilters, welcher in die Leitung 1 integriert ist. Grundsätzlich kommt aber auch eine Anordnung stromab des Luftfilters in Betracht.
Über den Umfang verteilt, jedoch an gleicher axialer Position sind zweckmäßigerweise mindestens zwei Lautsprecher 3 an der Leitung 1 gleichmäßig verteilt angeordnet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0542749 B1 [0002]

Claims

Aktive Schalldämpfereinrichtung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine, mit mindestens einem Lautsprecher (3), dessen Lautsprechermembran (4) mit einer der Brennkraftmaschine zugeordneten, gasführenden Leitung (1) kommuniziert, dadurch gekennzeichnet, dass das der Lautsprechermembran (4) abgewandte Rückvolumen (5) des Lautsprechers (3) von einem Lautsprechergehäuse (6) umschlossen ist, das druckdicht gegenüber der Umgebung ausgebildet ist.
Schalldämpfereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das vom Lautsprechergehäuse (6) umschlossene Rückvolumen (5) hermetisch gegenüber dem Inneren der gasführenden Leitung (1) abgeschlossen ist.
Schalldämpfereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das vom Lautsprechergehäuse (6) umschlossene Rückvolumen (5) über eine Druckausgleichseinrichtung mit dem Inneren der gasführenden Leitung (1) verbunden ist.
Schalldämpfereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckausgleichseinrichtung als Druckausgleichskanal (7) in der Wandung des Lautsprechergehäuses (6) ausgebildet ist.
Schalldämpfereinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Druckausgleichskanals (7) bis zu 5 mm beträgt.
Schalldämpfereinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an den Druckausgleichskanal (7) im Inneren des Lautsprechergehäuses (6) ein Schlauch (8) angeschlossen ist.
Schalldämpfereinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckausgleichseinrichtung als gasdurchlässiger, druckkompensierender Wandabschnitt in der Wandung des Lautsprechergehäuses (6) ausgebildet ist.
Schalldämpfereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Lautsprecher (3) an der gasführenden Leitung (1) vorgesehen sind.
Schalldämpfereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Lautsprecher (3) unmittelbar an der Wandung der gasführenden Leitung (1) angeordnet ist.
Schalldämpfereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Lautsprechergehäuse (3) kalottenförmig ausgebildet ist.
Ansaugtrakt für eine Brennkraftmaschine mit einer Schalldämpfereinrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.