DE102015221624A1

DE102015221624A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen eines einen Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine charakterisierenden Geräuschs

Info

Publication number: DE102015221624A1
Application number: DE102015221624.1A
Authority: DE
Inventors: Daniel Schock; Rainer Drees
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2015-11-04
Filing date: 2015-11-04
Publication date: 2017-05-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Geräusches, welches einen Betrieb einer eine von einem gasförmigen Medium durchströmbare Anlage (6) aufweisenden Verbrennungskraftmaschine (1) eines Kraftfahrzeugs charakterisiert, mit den Schritten:
• Erfassen von Druckschwingungen in der Anlage (6) mittels wenigstens eines Drucksensors (39, 45), welcher wenigstens ein die erfassten Druckschwingungen charakterisierendes Schwingungssignal bereitstellt;
• Bestimmen eines Wechselanteils des Schwingungssignals;
• Erzeugen wenigstens eines Ansteuersignals derart, dass eine Frequenz des Ansteuersignals in Abhängigkeit von dem Wechselanteil bestimmt wird; und
• Ansteuern wenigstens eines Aktors (38) in Abhängigkeit von dem Ansteuersignal, um dadurch mittels des Aktors (38) das Geräusch zu erzeugen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines einen Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine charakterisierenden Geräuschs.
Moderne Verbrennungskraftmaschinen werden zunehmend nach dem sogenannten Downsizing-Prinzip ausgelegt. Dies bedeutet, dass die Anzahl an Brennräumen, insbesondere Zylindern, sowie der Hubraum einer solchen Verbrennungskraftmaschine besonders gering gehalten werden. Um dennoch hohe spezifische Leistungen und Drehmomente zu realisieren, wird die Verbrennungskraftmaschine aufgeladen. Darunter ist zu verstehen, dass wenigstens ein Verdichter zum Einsatz kommt, mittels welchem die Luft verdichtet wird. Die verdichtete Luft wird den Brennräumen zugeführt, wobei die verdichtete Luft einen Druck aufweist, welcher, zumindest in den meisten Betriebszuständen, wesentlich höher als der Umgebungsdruck ist. Dieser Druck der verdichteten Luft wird auch als Ladedruck bezeichnet, wobei die den Ladedruck aufweisende Luft den Brennräumen zugeführt wird beziehungsweise in die Brennräume einströmt, insbesondere, sobald ein Ventil, insbesondere Einlassventil, des jeweiligen Brennraums, insbesondere Zylinders, öffnet. Dies führt nicht zu einem üblicherweise zylindervolumenabhängigen Lufteintrag wie bei Saugmotoren, sondern zu einem erhöhten, durch den Ladedruck bestimmten Lufteintrag.
Der Verdichter ist beispielsweise ein Verdichter eines Abgasturboladers, welcher eine von Abgas der Verbrennungskraftmaschine antreibbare Turbine aufweist. Die Turbine ist in einem Abgastrakt angeordnet, welcher auch als Abgasanlage bezeichnet wird und von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbar ist. Dabei ist die Turbine von dem Abgas antreibbar. Der Verdichter ist von der Turbine antreibbar, sodass die im Abgas enthaltene Energie zum Verdichten der Luft genutzt werden kann. Dadurch kann ein besonders effizienter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisiert werden. Ferner ist es denkbar, dass es sich bei dem Verdichter um einen Kompressor handelt, welcher auch als mechanischer Kompressor oder mechanischer Lader bezeichnet wird. Ein solcher mechanischer Kompressor wird von einer Abtriebswelle insbesondere in Form einer Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine mechanisch angetrieben.
Üblicherweise ist der Verdichter in einem Einlasstrakt der Verbrennungskraftmaschine angeordnet, wobei der Einlasstrakt von Luft durchströmbar ist. Die Luft wird mittels des Verdichters verdichtet und üblicherweise über wenigstens eine Drosselklappe und wenigstens einen Ladeluftkühler einem in dem Einlasstrakt angeordneten Ladedrucksammler zugeführt. Von hier aus gelangt die Luft über jeweilige Einlassventile in die Brennräume. Die Drosselklappe kann dabei vor oder nach dem Ladeluftkühler positioniert sein.
Verbrennungskraftmaschinen, die mit wenigstens einem Verdichter ausgestattet sind, werden auch als aufgeladene Verbrennungskraftmaschinen oder aufgeladene Verbrennungsmotoren bezeichnet. Demgegenüber werden Verbrennungskraftmaschinen, welche nicht mit einem Verdichter ausgestattet sind, als Saugmotoren bezeichnet, da ein solcher Saugmotor die Luft über den Einlasstrakt in die Brennräume saugt. Im Gegensatz dazu wird die Luft bei aufgeladenen Verbrennungskraftmaschinen in die Brennräume gedrückt, da die Luft den Ladedruck aufweist.
In den meisten Betriebszuständen liegt der Ladedruck vor. Also wird praktisch die Luft in die Brennräume gedrückt, sobald deren Einlassventile öffnen. Es existieren üblicherweise wenige Betriebszustände, in denen bei einem Turbomotor ein Saugbetrieb herrscht. In einem solchen Saugbetrieb fordert die Verbrennungskraftmaschine schon Luft an beziehungsweise der Kolben bewegt sich schon nach unten, aber es ist noch kein entsprechender Ladedruck vorhanden. Dabei handelt es sich aber nur um einen sehr geringen Teil der Betriebszustände.
Saugmotoren haben konzeptbedingt ein sehr ausgeprägtes Ansauggeräusch, welches sowohl von dem Fahrer eines mit einem solchen Saugmotor ausgestatteten Kraftfahrzeugs als auch von sich außerhalb des Kraftfahrzeugs aufhaltenden Personen akustisch wahrgenommen werden kann und häufig als besonders angenehm beziehungsweise emotional empfunden wird. Speziell das Ansauggeräusch wird vom Fahrer auch als akustische Drehzahl- und Lastrückmeldung wahrgenommen, sodass der Fahrer anhand des Ansauggeräuschs auf die Drehzahl und/oder die Last der Verbrennungskraftmaschine rückschließen kann.
Nicht die Akustik der Abgasanlage, sondern das charakteristische Geräusch, welches über den Einlasstrakt beziehungsweise die Sauganlage an die Umwelt und auch an den Fahrer wiedergegeben wird, macht einen besonders großen emotionalen Teil eines als sportliches Triebwerk ausgelegten Verbrennungsmotors aus. Konzeptbedingt fehlt bei aufgeladenen Verbrennungskraftmaschinen die Ansaug-Akustik fast vollständig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mittels welchen ein besonders vorteilhaftes und angenehmes, einen Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs charakterisierendes Geräusch erzeugbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Erzeugen eines Geräusches, welches einen Betrieb einer eine von einem gasförmigen Medium durchströmbare Anlage aufweisenden Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, welches mittels der Verbrennungskraftmaschine antreibbar ist, charakterisiert, umfasst einen ersten Schritt, bei welchem mittels wenigstens eines Drucksensors Druckschwingungen in der Anlage erfasst werden. Dabei stellt der Sensor wenigstens ein die mittels des Sensors erfassten Druckschwingungen charakterisierendes Schwingungssignal bereit. Beispielsweise werden mittels des Drucksensors Druckschwingungen des Mediums in der Anlage erfasst. Zum Erfassen der Druckschwingungen werden beispielsweise Schwingungen eines Drucks, insbesondere des Mediums, in der Anlage mittels des Drucksensors erfasst. Dies bedeutet, dass mittels des Drucksensors ein Druck, insbesondere des Mediums, in der Anlage erfasst wird. Der erfasste Druck schwingt während eines Betriebs der Verbrennungskraftmaschine. Mit anderen Worten weist der erfasste Druck während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine Schwingungen auf, sodass – da mittels des Drucksensors der Druck erfasst wird – die Schwingungen des Drucks, das heißt die zuvor genannten Druckschwingungen, erfasst werden.
Bei einem zweiten Schritt des Verfahrens wird ein Wechselanteil des Schwingungssignals bestimmt. Ist das vom Drucksensor bereitgestellte und die erfassten Druckschwingungen charakterisierende Schwingungssignal beispielsweise ein elektrisches Signal, so handelt es sich bei dem elektrischen Signal beispielsweise um eine elektrische Spannung, welche zumindest den genannten Wechselanteil aufweist. Dieser Wechselanteil ist dann ein Wechselspannungsanteil des Signals.
Bei einem dritten Schritt des Verfahrens wird wenigstens ein Ansteuersignal derart erzeugt, dass eine Frequenz des Ansteuersignals in Abhängigkeit von dem Wechselanteil bestimmt wird. Bei einem vierten Schritt des Verfahrens wird wenigstens ein Aktor in Abhängigkeit von dem Ansteuersignal beziehungsweise mittels des Ansteuersignals angesteuert, um dadurch mittels des Aktors das Geräusch zu erzeugen. Der Erfindung liegt insbesondere die Idee zugrunde, den Wechselanteil als ein Akustiksignal zu verwenden, welches ein entsprechendes Frequenzspektrum enthält. Vereinfacht gesagt charakterisiert dieses Frequenzspektrum beziehungsweise das Akustiksignal wenigstens einen Ton mit einer Frequenz beziehungsweise einem Frequenzspektrum, wobei dieser Ton über das Ansteuersignal mittels des Aktors für das menschliche Gehör hörbar gemacht wird. Da das Akustiksignal beziehungsweise der Ton aus den tatsächlichen, erfassten Druckschwingungen gewonnen wird, bildet das Akustiksignal beziehungsweise der Ton ein tatsächliches Geräusch, insbesondere ein tatsächliches Ansauggeräusch, der Verbrennungskraftmaschine besonders gut ab beziehungsweise der Ton entspricht zumindest im Wesentlichen dem tatsächlichen Geräusch der Verbrennungskraftmaschine, wobei dieses tatsächliche Geräusch beispielsweise konzeptbedingt nicht von Personen wie beispielsweise dem Fahrer des Kraftfahrzeugs sowie von sich in der Umgebung des Kraftfahrzeugs aufhaltenden Personen wahrgenommen werden kann.
Mittels des Aktors und des Ansteuersignals wird das tatsächliche Geräusch somit hörbar gemacht, sodass ein besonders angenehmes und emotionales Geräuschverhalten der Verbrennungskraftmaschine und somit des Kraftfahrzeugs insgesamt realisiert werden kann.
Als Ton wird üblicherweise eine gleichbleibende Frequenz bezeichnet. Kommen mehrere Frequenzen zusammen, die sich überlagern, dann wird meist von einem Klang gesprochen. Viele Frequenzen, die sich überlagern und mit sich verändernden Frequenzen, werden allgemein als Geräusch bezeichnet. Im einfachsten Fall wird mittels des Drucksensors in der Anlage, insbesondere in einem Ladedrucksammler, ein Ladedrucksignal gewonnen, welches mit den Druckschwingungen überlagert ist. Ein normaler Ladedrucksensor macht daraus eine dem Ladedruck entsprechende Gleichspannung. Die Druckschwingungen zeichnen sich als Wechselanteil aus, der diese Gleichspannung überlagert. Bei einem normalen Ladedrucksensor fällt der größte Teil des ausgebbaren Spannungsbereichs dabei auf den Ladedruck. Der Wechselanteil, der auf den Gleichanteil schwingt, ist ein sehr kleiner Teil. Für die Gewinnung des Akustiksignals beziehungsweise des Ansteuersignals wird grundsätzlich nur der Wechselanteil benötigt beziehungsweise genutzt.
Das zuvor genannte tatsächliche Geräusch der Verbrennungskraftmaschine kann beispielsweise konzeptbedingt nicht oder nur sehr geringfügig wahrgenommen werden, da die Verbrennungskraftmaschine als aufgeladene Verbrennungskraftmaschine ausgebildet ist. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es nun möglich, ein besonders vorteilhaftes und für das menschliche Gehör angenehmes, den Betrieb der Verbrennungskraftmaschine charakterisierendes Geräusch zu erzeugen, da das Geräusch beziehungsweise dessen Erzeugung aus den tatsächlichen, erfassten und physikalischen Druckschwingungen gewonnen wird. Somit kann beispielsweise dem Fahrer und der Außenwelt anhand des erzeugten Geräuschs eine besonders angenehme und nachvollziehbare Rückmeldung über die aktuelle Last und/oder Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine vermittelt werden, ohne dass sich das Geräusch künstlich beziehungsweise synthetisch anhört. Dies ist insbesondere realisierbar, da vorzugsweise eine analoge diskrete Verarbeitung zum Einsatz kommt, sodass die Echtzeitfähigkeit erhalten bleibt. Dadurch harmoniert die vorhandene mechanische Motorakustik, ohne dass unangenehme Signalverzerrungen und Schwebungen beziehungsweise Laufzeitverzerrungen auftreten. In der Folge kann eine besonders vorteilhafte Fahrbarkeit des Kraftfahrzeugs realisiert werden.
Ferner ist es mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, eine besonders einfache und kostengünstige Geräuscherzeugung, insbesondere Ansauggeräuscherzeugung, für Verbrennungskraftmaschinen zu realisieren, da das von dem Sensor bereitgestellte Schwingungssignal abgegriffen und somit auf eine tatsächlich vorhandene physikalische Messgröße in Form der Druckschwingungen rückgegriffen wird. Somit ist es mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens beispielsweise möglich, einer aufgeladenen Verbrennungskraftmaschine die Emotionalität eines Saugmotors zu verleihen, da durch die Erzeugung des Geräusches eine aufgeladene Verbrennungskraftmaschine ähnlich wie ein Saugmotor klingt, jedoch deutlich näher an dessen Charakter bezüglich des Ansauggeräuschs kommt. Dadurch ist es beispielsweise auch möglich, unerwünschte und unangenehme Geräusche der Verbrennungskraftmaschine mittels des angenehmen und mittels des Aktors erzeugten Geräuschs zu übertönen beziehungsweise zu unterdrücken. Bei den unangenehmen Geräuschen kann es sich um Geräusche einer Hochdruckpumpe zum Fördern von Kraftstoff, von Einspritzventilen etc. handeln, die besonders bei neuen Motoren mit Hochdruckdirekteinspritzung akustisch sehr präsent sind und oft negativ auffallen können.
Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn mittels wenigstens eines Sensorelements des Drucksensors die Druckschwingungen erfasst werden. Ferner wird mittels des Sensorelements wenigstens ein die mittels des Sensorelements erfassten Druckschwingungen charakterisierendes Rohsignal bereitgestellt. Mit anderen Worten stellt das Sensorelement das Rohsignal bereit, welches die erfassten Druckschwingungen charakterisieren.
Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn der Drucksensor einen integrierten Hochpassfilter aufweist, mittels welchem das Rohsignal gefiltert wird, wodurch aus dem Rohsignal das Schwingungssignal erzeugt wird. Mit anderen Worten ist es vorzugsweise vorgesehen, dass das Schwingungssignal, welches von dem Sensor bereitgestellt wird, aus dem Rohsignal erzeugt wird, indem das Rohsignal mittels des in den Drucksensor integrierten Hochpassfilters gefiltert wird.
Durch den Einsatz des in den Drucksensor integrierten Hochpassfilters ist es möglich, eine sehr hohe Qualität beziehungsweise Signalgüte des Schwingungssignals zu realisieren, sodass mittels des Schwingungssignals ein besonders vorteilhaftes und für das menschliche Gehör angenehmes, den Betrieb der Verbrennungskraftmaschine charakterisierendes Geräusch erzeugt werden kann.
Der Drucksensor kann beispielsweise ein bereits von einer Motorsteuerung zum Betreiben, insbesondere Regeln, der Verbrennungskraftmaschine verwendeter Ladedrucksensor sein. Auch ein separater Drucksensor an einer akustisch vorteilhaften Position ist denkbar. Unter der Motorsteuerung ist eine Recheneinrichtung beziehungsweise ein Steuergerät zu verstehen, mittels welchem die Verbrennungskraftmaschine betrieben, insbesondere geregelt, wird.
In Versuchen wurde ein normaler, das heißt herkömmlich zum Einsatz kommender Ladedrucksensor als der Drucksensor verwendet. Mittels des Ladedrucksensors konnte ein akustisches Signal gewonnen werden. Es wurde gefunden, dass dieses Signal nur in oberen Drehzahlbereichen, beispielsweise ab circa 3.500 Umdrehungen pro Minute (U/min), und oberen Lastbereichen hinreichend gut ausgeprägt ist. Da der Ladedrucksensor für den Ladedruckbereich ausgelegt wurde, war das gewonnene Signal sehr klein, insbesondere in der Größenordnung von maximal +/–0,3 Volt in der maximalen Ausprägung.
Zur Verdeutlichung der Signalgröße wird folgender Vergleich gezogen: Ein Audiosignal, welches beispielsweise einem Kopfhörer oder einem Verstärker zugeführt wird, weist Signalgrößen von circa +/–0,7 bis 1 Volt auf. Das mittels des Ladedrucksensors gewonnene Signal weist daher sehr viele Störeinträge durch EMV (elektromagnetische Verträglichkeit) aus einem üblicherweise vorgesehenen Kabelbaum auf. Diese Störeinträge kommen beispielsweise von der Zündung und/oder anderen Komponenten der Verbrennungskraftmaschine. Es wurde gefunden, dass diese Störeinträge nicht ohne Weiteres komplett entfernt werden können. Im unteren Drehzahlbereich oder auch im Stand bei Gasstößen konnten mittels des üblichen Ladedrucksensors sogar nur Signalgrößen von +/–0,05 Volt gewonnen werden. Das Signal erwies sich somit als sehr anfällig bezüglich Störeinflüssen.
Daher kann alternativ oder zusätzlich zu dem ohnehin vorgesehenen Ladedrucksensor wenigstens ein separater, zusätzlicher Ladedrucksensor als Drucksensor verwendet werden. Dieser Sensor müsste dann nicht mehr den Ladedruck ausgeben, sondern könnte sich auf das Akustiksignal konzentrieren. In dem Fall kann der Ladedrucksensor mit einem internen beziehungsweise integrierten Hochpassfilter ausgerüstet werden. Durch eine geänderte Ausgabekennlinie könnte auch in den aktuell kritischen Bereichen ein brauchbares Akustiksignal mit einem entsprechend guten Signal beziehungsweise Rauschabstand weitergegeben werden.
Unter dem Erzeugen des Geräuschs ist eine Gewinnung einer physikalisch echten Größe insbesondere in Form der Druckschwingungen zu verstehen, um daraus ein Signal insbesondere in Form des Schwingungssignals und schließlich des Ansteuersignals zu gewinnen, welches den Charakter eines echten Motorgeräusches beziehungsweise -klangs hat. Des Weiteren ist es Ziel, die physikalische Größe in Echtzeit umzuwandeln, damit es nicht oder nur zu geringen Signalverzerrungen kommt, wenn das erzeugte Geräusch neben beziehungsweise zusätzlich zu dem vorhandenen Motorgeräusch ausgegeben wird. Dadurch kann ein hochwertiges Motorgeräusch erzeugt beziehungsweise ausgegeben werden, da es mit einem Ansauggeräusch Ähnlichkeit hat. Die Umwandlung in Echtzeit erfolgt deswegen, da beide Geräusche (erzeugtes Geräusch und bereits vorhandenes, tatsächliches Geräusch der Verbrennungskraftmaschine) ansonsten versetzt laufen würden. Dies würde als künstlich wahrgenommen werden. Daher kommt vorzugsweise eine einfache Schaltung mit diskreten Bauteilen, beispielsweise Filter aus Kondensatoren, Induktivitäten, Widerständen, Operationsverstärkern etc. zum Einsatz. Eine Umsetzung mittels Prozessortechnik wäre auch denkbar, jedoch nur, um beispielsweise einen mitlaufenden externen Filter zu steuern. Bei einer digitalen Verarbeitung würde die Echtzeitumsetzung verloren gehen. Dies könnte dann im Ansauggeräusch akustisch wahrgenommen werden, wenn sich mechanische Motorgeräusche und das neu geschaffene beziehungsweise erzeugte Geräusch (Ansauggeräusch) nicht passend überlagern. Dabei könnte das erzeugte Geräusch beziehungsweise Akustiksignal bedingt durch Signalerfassung, Verarbeitung und Ausgabe und/oder bedingt durch Rechenleistung mal mehr oder mal weniger dem tatsächlichen Motorgeräusch nachlaufen. Dann entstehen Laufzeitverzerrungen und Schwingungen, die akustisch auffallen.
Das im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugte Geräusch soll vorzugsweise von der Außenwelt wahrgenommen werden und idealerweise zu einem Teil noch in den Innenraum des Kraftfahrzeugs gelangen können. Es soll zudem im Stand des Kraftfahrzeugs den reinen mechanischen Klang der Verbrennungskraftmaschine, welche auch als Motor bezeichnet wird, zum Beispiel bei Gasstößen im Stand, deutlich aufwerten. Das Verfahren soll mittels einer sehr einfachen Echtzeitlösung durchgeführt werden und eventuell sogar nachrüstbar sein, sodass auch bereits existierende Verbrennungskraftmaschinen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgerüstet werden können.
Die Anlage ist beispielsweise ein Einlasstrakt, wobei das Medium Luft ist. Hierbei umfasst die Anlage beispielsweise einen von der Luft durchströmbaren Ladedrucksammler, welcher auch als Luftsammler bezeichnet wird und in Strömungsrichtung der Luft stromab eines in der Anlage angeordneten Verdichters zum Verdichten der Luft angeordnet ist, insbesondere dann, wenn die Verbrennungskraftmaschine als aufgeladene Verbrennungskraftmaschine ausgebildet ist. Insbesondere werden die Druckschwingungen in einem Bereich erfasst, welcher stromab des Verdichters, einer Drosselklappe und eines Ladeluftkühlers zum Kühlen der verdichteten Luft angeordnet ist.
Druckänderungen und Druckpulsationen entstehen nicht zwangsläufig direkt durch das Durchströmen der Anlage. Wenn das Medium, insbesondere eine Luftmasse, den Bereich nach dem Verdichter durchströmt, entstehen zwar Schwingungen, insbesondere Druckschwingungen. Diese entstehen aber oft direkt an Komponenten der Anlage, auch wenn es enge Umlenkungen gibt oder weil sich die Luft an der teilweise geschlossenen Drosselklappe vorbeizwängt. Dabei handelt es sich aber um eher ungewollte hochfrequente Strömungsgeräusche. Insbesondere werden als Ausgangssignale Druckschwingungen beziehungsweise Druckpulsationen genutzt, die entstehen, wenn schlagartig wenigstens ein Einlassventil öffnet. Dabei weist die verdichtete Luft einen Druck, insbesondere Ladedruck, auf, auf den die Luft mittels des Verdichters verdichtet wird, wobei der Ladedruck am Einlassventil anliegt. Öffnet dann das Einlassventil, dann kommt es schlagartig zu einem gewissen Druckabfall im Einlasstrakt, insbesondere in einem zumindest stromab des Verdichters und vorzugsweise stromab des Verdichters, der Drosselklappe und dem Ladeluftkühler angeordneten Ladedrucksammler.
Dieser Vorgang geschieht auch bei einem unter Druck stehenden Volumen, wenn ein Überdruckventil kurz geöffnet wird. Dann kann Kurzdruck aus dem Volumen entweichen. Dann fällt im Volumen beziehungsweise im Ladedrucksammler kurz der Druck ab. Wird das Überdruckventil beziehungsweise das Einlassventil wieder geschlossen, passt sich der Druck im Volumen beziehungsweise im Ladedrucksammler relativ schnell wieder an. Erfolgt dieses Öffnen und Schließen schnell hintereinander beziehungsweise werden bei der Verbrennungskraftmaschine jeweilige Einlassventile von jeweiligen Brennräumen, insbesondere Zylindern, nacheinander geöffnet und geschlossen, so kommt es zu einer relativ periodischen Druckpulsation oder Druckschwingung, die mittels des Drucksensors erfasst werden kann beziehungsweise erfasst wird, und zwar als Schwingung der entweichenden Luft und der vom Verdichter ausgleichenden Luftmenge.
Dabei handelt es sich meist um die dominierende Druckschwingung. Man nennt diese auch Hauptmotorordnung beziehungsweise die dritte Ordnung bei einem Sechs-Zylinder-Motor, da bei drei Zylindern nacheinander während einer Motorumdrehung beziehungsweise Kurbelumdrehung die Einlassventile geöffnet werden.
Ferner können Druckschwingungen höherer Frequenzen existieren. Die Druckschwingungen im Ladedrucksammler breiten sich in diesem mit einer gewissen Geschwindigkeit aus beziehungsweise schlagen – rein bildlich – an Wänden des Ladedrucksammlers beziehungsweise der Anlage an. Die Wände reflektieren diese Wellen dann und geben sie wieder an das Medium zurück. Der Drucksensor ist beispielsweise von allen Einlassventilen unterschiedlich weit entfernt bezüglich seiner Messposition. Dies ist anhand des folgenden Beispiels besser zu veranschaulichen: Gegeben ist ein großes, mit Wasser gefülltes Wasserbecken, an dessen Rand ein Stein in das Wasser geworfen wird. Dann breiten sich Wellen über das Wasserbecken aus, schlagen an dessen Wände an und geben erneut eine Welle zurück, welche sich dann wiederum mit noch annähernden Wellen überlagert. Werden nun Steine in definierten Abständen leicht versetzt nachgeworfen, dann kommt es noch zu mehr Überschneidungen beziehungsweise Resonanzen bezogen auf die Ladedruckschwingung. Resonanzen sind meist von bestimmten Drücken, Temperaturen, Frequenzen und Volumen abhängig, was am Effekt, wie er bei einem Helmholtzresonator entsteht, erkennbar ist.
Der Drucksensor erfasst nun beispielsweise an einer ganz bestimmten Position in diesem Wasserbecken (Anlage) diese Wellenbewegungen und erhält ein bestimmtes Muster. So etwa entstehen auch die Frequenzzusammensetzungen in dem Ladedrucksammler vor beziehungsweise stromauf der Einlassventile. Nur die Einlassventile allein würden somit einen Ton erzeugen, und durch die Überlagerungen wird daraus ein Klang. Wenn die Motordrehzahl beziehungsweise die Last sich ändert und somit die Frequenzen, dann wird aus dem Klang ein Geräusch.
Die Anlage ist beispielsweise eine Sauganlage der Verbrennungskraftmaschine, wobei die Sauganlage auch als Ansauganlage oder Einlasstrakt bezeichnet wird. Dabei ist das gasförmige Medium beispielsweise Luft, wobei der Einlasstrakt von der Luft durchströmbar ist. In dem Einlasstrakt sind Bauteile angeordnet. Bei einem solchen Bauteil handelt es sich beispielsweise um ein von der Luft durchströmbares Bauteil, mittels welchem die Luft geführt wird. Bei einem solchen Bauteil handelt es sich beispielsweise um ein Luftrohr mit wenigstens einem von der Luft durchströmbaren Kanal. Ferner kann es sich bei dem Bauteil um ein Gehäuseteil eines Luftfilters handeln, mittels welchem die den Einlasstrakt durchströmende Luft gefiltert wird.
Für die Gewinnung des Akustiksignals beziehungsweise des Ansteuersignals wird grundsätzlich nur der Wechselanteil benötigt beziehungsweise genutzt. Dies wird beispielsweise über eine Gleichstromsperre oder mittels eines Hochpassfilters realisiert, welcher – wie zuvor erwähnt – vorzugsweise in den Drucksensor integriert ist. Versuche haben gezeigt, dass Frequenzen unterhalb von circa 300 Hertz (Hz) ungünstig sind. Die Auslegung des Hochpassfilters kann aber je nach Verbrennungskraftmaschine (Motor) ein Klangbild, welches gewonnen beziehungsweise erzeugt werden soll, auch auf circa 500 Hertz ansteigen. Der Grad beziehungsweise die Güte des Hochpassfilters kann beliebig sein, das heißt beispielsweise 1. bis n-te Filterordnung aufweisen. Ein Versuch wurde beispielsweise mit zwei hintereinander geschalteten Hochpassfiltern mit je 2. Ordnung durchgeführt. Falls dann im unteren Frequenzbereich noch eine auffallende Störfrequenz auftritt, kann auch noch eine kleine Bandsperre nachgeschaltet werden, um diese Frequenz zu mindern. Dadurch kann ein Akustiksignal gewonnen werden, bei dem der Gleichanteil fehlt und der Anteil mit tiefen Frequenzen unterdrückt wird. Danach wird das Signal beispielsweise einem ersten Eingang eines Analog-Multiplizierers zugeführt.
Ferner wird beispielsweise dem Analog-Multiplizierer ein zweites Signal zugeführt, welches eine Führungsgröße ist. Die Führungsgröße ist beispielsweise ein Signal, mittels welchem die Lautstärke geregelt beziehungsweise eingestellt wird. Die Führungsgröße ist somit die Lastrückmeldung. Im einfachsten Fall kann dies das Ladedrucksignal selbst sein, jedoch ohne den Wechselanteil. Dafür wird das Signal beispielsweise durch einen sehr tief angesetzten Tiefpassfilter gegeben. Das Ergebnis ist ein sehr gut gefiltertes Gleichspannungssignal ohne Oberschwingungen. Baut sich nun Ladedruck auf, so wird mittels des Analog-Multiplizierers entsprechend die Amplitude des Akustiksignals verstärkt.
Alternativ kann die Lautstärke auch über komplett andere Komponenten gesteuert beziehungsweise eingestellt werden. Dies kann beispielsweise die Motorsteuerung sein. Diese kann noch sehr viel individueller das Führungssignal gestalten. Zum Beispiel kann im Stand bei Gasstößen eine extreme Signalverstärkung realisiert werden, und zwar deutlicher, als es mittels einer Verstärkung allein über den Ladedruck möglich ist. Auch eine Kombination beider Signale ist denkbar. Wenn also die Führungsgröße von der Motorsteuerung (DME) entfällt oder getrennt wird, könnte auf einen Ersatzwert aus dem gewonnenen Ladedrucksignal zurückgegriffen werden.
Nach dem Analog-Multiplizierer erfolgt dann beispielsweise noch eine Tiefpassfilterung. Diese könnte zwar auch vor dem Analog-Multiplizierer und vor dem Verstärker erfolgen, jedoch ist die Tiefpassfilterung nach dem Analog-Multiplizierer vorteilhaft, wenn die Führungsgröße, beispielsweise das geglättete Ladedrucksignal oder auch das Führungssignal aus der Motorsteuerung, noch hochfrequente Anteile aufweist beziehungsweise enthält. Dies können auch im Kabelbaum eingefangene Störimpulse sein, die durch den Analog-Multiplizierer wieder direkt ins Akustiksignal gelangen können. Daher kommt die Tiefpassfilterung zum Einsatz, die alle hochfrequenten Anteile unterdrückt, und zwar nach der Zusammenführung.
In dem zuvor genannten Versuch wurde beispielsweise ein Ladedrucksensor als der Drucksensor verwendet, wobei dieser Ladedrucksensor keinen integrierten Hochpassfilter umfasst. Mittels des Ladedrucksensors können als die Druckschwingungen Ladedruckschwingungen nach dem Verdichter, insbesondere in dem Ladedrucksammler, und vor den Einlassventilen der Verbrennungskraftmaschine erfasst werden. Die erfassten Ladedruckschwingungen werden dann beispielsweise über eine einfache Schaltung verarbeitet und mittels des Aktors wieder ausgegeben, das heißt hörbar gemacht. Beispielsweise bringt der Aktor das zuvor genannte Gehäuse, welches auch als Luftfilterkasten bezeichnet wird, und/oder andere schwingfähige Teile wie beispielsweise eine Motorhaube etc. in der Front des Kraftfahrzeugs zum Schwingen. Dadurch kann ein von Saugmotoren bekanntes Ansauggeräusch, welches bei einem Turbomotor fehlt, erzeugt werden.
Wird der ohnehin vorhandene Ladedrucksensor verwendet, welcher von der Motorsteuerung zur Ladedruckerfassung genutzt wird, so ist dieser ideal für den Ladedruck, welcher zumindest nahezu statisch ist, ausgelegt, den der Verdichter bereitstellen kann. Bekannte Ladedrucksensoren weisen einen maximalen Messbereich zwischen einschließlich 2,5 und einschließlich 4 bar auf. Ladedrucksensoren im Automobilbereich werden üblicherweise mit einer Spannung von 5 Volt versorgt. Üblicherweise ist es vorgesehen, dass ein Kraftfahrzeug eine Vielzahl von unterschiedlichen Sensoren umfasst. Dabei ist es üblicherweise vorgesehen, dass zumindest der größte Teil der Sensoren im Kraftfahrzeug von einer auswertenden Steuerung diagnostiziert werden kann. Dies bedeutet: Stellt beispielsweise einer der Sensoren kein plausibles Sensorsignal bereit, so wird ein entsprechender Fehler für diesen Sensor in einem Fehlerspeicher hinterlegt. Speziell für Leitungsbrüche und Leitungskurzschlüsse nach Masse oder Versorgungsspannung wird ein spezielles Prinzip genutzt. Der Sensor weist dabei eine jeweilige Kennlinie auf. Die im Sensor hinterlegte Kennlinie, insbesondere für den Ladedruck, liefert dabei immer nur Werte zwischen circa 0,5 und 4,5 Volt. Erkennt die auswertende Steuerung Spannungswerte unterhalb von 0,5 Volt, dann handelt es sich um einen Kurzschluss nach Masse. Bei Signalen, welche von dem Ladedrucksensor bereitgestellt werden und größer als 4,5 Volt sind, liegt ein Kurzschluss zur Versorgungsspannung oder ein Leitungsbruch (beispielsweise durch internen Pull-up-Widerstand in der Auswerte-Elektronik) vor.
Dieser Umstand schränkt also den nutzbaren Spannungsbereich zur Signalweitergabe auf beispielsweise 4 Volt ein. Ein Nachteil ist der Ladedruck selbst. Ein Ladedrucksensor soll den Ladedruck messen und nicht Schwingungen, die sich auf dem Ladedruck und somit einem Ladedrucksignal befinden, wobei diese Schwingungen jedoch für eine vorteilhafte Akustik und insbesondere zur Erzeugung des Geräuschs genutzt werden können beziehungsweise sollen.
Bei Volllastanforderungen, bei welchen die Verbrennungskraftmaschine eine niedrige Drehzahl aufweist und das Fahrpedal vollständig durchgedrückt ist, steigt der Ladedruck sprunghaft auf nahezu den Wert an, der von der Motorsteuerung appliziert wurde. Dies ist dann meist im oberen Bereich, wofür der Ladedrucksensor ausgelegt wurde. Auf dem Ladedruck enthalten sind Ladedruckschwingungen, die im Rahmen des Verfahrens zur Erzeugung des Geräuschs genutzt werden sollen. Für die Motorsteuerung jedoch, die den Ladedruck auswertet, sind diese Schwingungen beziehungsweise Druckschwingungen des Ladedrucks im Normalfall nicht gewünscht und werden üblicherweise mittels eines Tiefpasses beziehungsweise eines Tiefpassfilters herausgefiltert.
Es wurde gefunden, dass nach einer Hochpassfilterung, insbesondere des Rohsignals, ein nutzbares Spannungssignal von circa +/–0,3 Volt übrig bleibt. Nach einer zusätzlichen Tiefpassfilterung kann es sich jedoch nochmals auf circa +/–0,2 Volt reduzieren.
Durch den Einsatz des in den Drucksensor integrierten Hochpassfilters ist es jedoch möglich, eine hohe Güte des vom Sensor bereitgestellten Schwingungssignals zu realisieren, welches die gewünschten und für die Erzeugung des Geräuschs vorteilhaften Schwingungen beziehungsweise Druckschwingungen besonders ausgeprägt enthält.
Bei Nutzung eines normalen Ladedrucksensors ohne Hochpassfilter kann unter Umständen der Nachteil bestehen, dass eine nur geringe, nutzbare Messamplitude zur Verfügung steht. Es wurde gefunden, dass das separierbare Messsignal hinsichtlich der Amplitude und somit hinsichtlich seiner Signalqualität sehr gering ist, unabhängig davon, ob der ohnehin vorhandene Ladedrucksensor, welcher auch von der Motorsteuerung genutzt wird, oder ein zusätzlicher, separater Sensor zur Erfassung der Druckschwingungen genutzt wird. Durch die geringe Signalamplitude ist der Einfluss von Störungen, das heißt Störeinflüssen sehr hoch. Einstrahlungen in Form von EMV speziell durch eine parallele und ungeschirmte Verlegung des Kabelbaums machen sich sehr stark bemerkbar. Bei den Störeinflüssen kann es sich um eingestrahlte Signale aus der Zündung oder von elektrischen Maschinen handeln, die sich ebenfalls in einem Motorraum, in welchem die Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist, befinden. Speziell im unteren Drehzahl-/Lastbereich haben sich bei ersten Versuchen die Störeinflüsse extrem bemerkbar gemacht. Der Verbauort in dem Einlasstrakt ist bezüglich der Signalgewinnung oft nicht vorteilhaft. Verbauorte, die eine ausgewogene Ladedruckschwingung versprechen, zum Beispiel mittig zu allen Ansaugkanälen, sind oft von hohen Strömungsgeschwindigkeiten geprägt, die ein Rauschen verursachen können. Je nach Verbauort existieren sammlergeometriebedingte Signalverzerrungen, sogenannte Moden. Diese Moden sind Verzerrungen, welche jedoch mittels eines Doppelabgriffes umgangen werden könnten. Auch herkömmliche Sensoren selbst verzerren bei steigendem Ladedruck das Signal zunehmend. Vermutlich wird bei normalen Ladedrucksensoren, welche eine Messmembran aufweisen, die Messmembran durch den Ladedruck so gedehnt, dass sie auf die feinen Druckschwingungen, insbesondere Ladedruckschwingungen, nicht mehr sensibel reagieren kann.
Eine besonders hohe Signalqualität beziehungsweise Güte kann auf besonders einfache Weise dadurch realisiert werden, dass der Drucksensor – wie zuvor beschrieben – wenigstens einen integrierten Hochpassfilter und somit eine interne Hochpassfilterung aufweist. Der Ladedrucksensor kann dann beispielsweise intern unterhalb von circa 50 Hertz bis 200 Hertz alle Schwingungen ignorieren.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der Drucksensor einen integrierten Tiefpassfilter aufweist, mittels welchem das Rohsignal gefiltert wird, wodurch aus dem Rohsignal das Schwingungssignal erzeugt wird. Dies bedeutet, dass eine zusätzlich zur Hochpassfilterung vorgesehene Tiefpassfilterung ebenfalls möglich ist, um bestimmte Störeinflüsse gleich vom Akustiksignal beziehungsweise Schwingungssignal fern zu halten. Bei einem Abgriff nahe der Drosselklappe mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten können dann beispielsweise schon direkt nach der Messung hochfrequente Rausch- und Pfeiffrequenzen unterdrückt werden.
Unter dem zuvor genannten Abgriff ist das Erfassen der Druckschwingung mittels des Drucksensors zu verstehen. Dies bedeutet, dass die Druckschwingungen mittels des Drucksensors an wenigstens einer Stelle in der Anlage erfasst werden. Anders ausgedrückt werden die Druckschwingungen mittels des Drucksensors an der mindestens einen Stelle abgegriffen.
Durch den Einsatz der internen Hochpassfilterung und der gegebenenfalls vorgesehenen, internen Tiefpassfilterung können beispielsweise Lastwechselreaktionen und der zumindest nahezu statische Ladedruck im Signal eliminiert werden. Beispielsweise kommt hierzu eine DC-Sperre, insbesondere mit zusätzlicher Tieffrequenz-Sperre, zum Einsatz. Durch eine solche DC-Sperre mit zusätzlicher Tieffrequenz-Sperre kann beispielsweise realisiert werden, dass ein reines Wechselsignal, das heißt der reine Wechselanteil, übrig bleibt. Durch eine Anpassung der internen Kennlinie des Drucksensors kann das Signal beispielsweise mit maximal vorkommender Schwingungsamplitude ausgegeben werden. Dies erfolgt beispielsweise idealerweise um einen mittleren Ausgabespannungsbereich, welcher beispielsweise 2,5 Volt beträgt. Eine Ausgabekennlinie müsste dabei nicht notwendigerweise linear ausgeführt werden. Denkbar sind dadurch auch eine verstärkte Ausgabe bei niedrigen Pegelschwingungen und eine weniger verstärkende Kennlinie bei höheren Druckschwingungen. Somit könnte der Einfluss von Störeinflüssen anderer elektrischer Komponenten besonders gering gehalten werden.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass als der Drucksensor ein Absolutdrucksensor verwendet wird. Mittels des Absolutdrucksensors wird wenigstens ein Druck des Mediums in der Anlage erfasst. Da es während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine zu Schwingungen des Drucks kommt, werden mittels des Absolutdrucksensors die Druckschwingungen erfasst. Insbesondere werden die Druckschwingungen mittels des Drucksensors an wenigstens einer Stelle in der Anlage erfasst. Bei Verwendung eines solchen Absolutdrucksensors als der Drucksensor ist der Einsatz der zuvor beschriebenen internen Hochpassfilterung besonders vorteilhaft, gegebenenfalls in Kombination mit einer internen Tiefpassfilterung. Hierdurch lässt sich eine besonders hohe Qualität beziehungsweise Signalgüte realisieren.
Zur Realisierung einer besonders hohen Signalgüte und Qualität ist es bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass als der Drucksensor ein Differenzdrucksensor verwendet wird, mittels welchem die Druckschwingungen als Schwingungen einer Druckdifferenz zwischen wenigstens zwei voneinander beabstandeten Stellen in der Anlage erfasst werden.
Um den Betrieb der Verbrennungskraftmaschine mittels des erzeugten Geräuschs besonders gut charakterisieren beziehungsweise nachbilden oder wiedergeben zu können, kann vorgesehen sein, dass das Schwingungssignal den Wechselanteil und einen Gleichanteil aufweist. Ist das Schwingungssignal beispielsweise ein elektrisches Signal in Form einer elektrischen Spannung, so ist der Gleichanteil ein Gleichspannungsanteil des elektrischen Signals. Dabei wird der Gleichanteil von dem Wechselanteil des Schwingungssignals mittels wenigstens einer elektrischen Schaltung getrennt, wobei das Ansteuersignal derart erzeugt wird, dass die Frequenz des Ansteuersignals in Abhängigkeit von dem Wechselanteil und eine Amplitude des Ansteuersignals in Abhängigkeit von dem Gleichspannungsanteil bestimmt wird. Wie bereits beschrieben, ist vereinfacht gesagt der Wechselanteil der Ton, welcher mittels des Aktors erzeugt wird, wobei nun der Gleichanteil die Lautstärke des Tons beziehungsweise des zu erzeugenden Geräusches ist.
Dieser Ausführungsform liegt insbesondere die Erkenntnis zugrunde, dass der Gleichanteil einer Lastanforderung beziehungsweise der Last der Verbrennungskraftmaschine entspricht. Der Fahrer des Kraftfahrzeugs kann die von der Verbrennungskraftmaschine bereitgestellte Last mittels wenigstens eines Bedienelements insbesondere in Form eines Fahrpedals einstellen. Dieses Einstellen der Last wird auch als Lastanforderung bezeichnet, da der Fahrer durch Betätigen des Bedienelements von der Verbrennungskraftmaschine eine Last anfordert, welche von der Verbrennungskraftmaschine bereitgestellt werden soll. Da nun die Amplitude des Ansteuersignals in Abhängigkeit von dem Gleichanteil eingestellt wird, wird die Amplitude in Abhängigkeit von der Last beziehungsweise Lastanforderung eingestellt, sodass sich in der Amplitude die Lastanforderung wiederfindet.
Somit ist es möglich, die zuvor genannte Frequenz beziehungsweise das Frequenzspektrum des Geräuschs auch bei sich ändernder Lastanforderung konstant zu halten, sodass das Frequenzspektrum identisch bleibt, jedoch kann die Amplitude proportional zu der Lastanforderung verändert werden. Steigt beispielsweise die Lastanforderung, so steigen auch die Amplitude und somit die Lautstärke des Geräuschs. Vereinfacht ausgedrückt stellt der Wechselanteil einer Akustikinformation mit einer Frequenz beziehungsweise einem Frequenzspektrum dar, wobei der Gleichanteil die Amplitude beziehungsweise die Lautstärke des wiederzugebenden Geräuschs beeinflusst. Steigt die Lastanforderung, das heißt gibt der Fahrer Gas, so steigen beispielsweise der Ladedruck und somit die Amplitude und dadurch die Lautstärke des Geräuschs. Dadurch gibt das erzeugte Geräusch den Betrieb der Verbrennungskraftmaschine besonders gut, lastabhängig und emotional wieder.
Als weiterhin besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn das Ansteuersignal vor dem Ansteuern des Aktors verstärkt wird, sodass der Aktor mittels des verstärkten Ansteuersignals angesteuert wird. Dadurch kann mittels des erzeugten Geräusches beispielsweise das tatsächliche Ansauggeräusch der Verbrennungskraftmaschine besonders gut abgebildet und mittels des Aktors erzeugt werden. Dabei können sämtliche Filterobjekte bei diskreten Aufbauten den Pegel abschwächen oder auch gleich verstärkend aufbauen. Die Signale, die in den Analog-Multiplizierer eingehen, werden, wie schon die Bezeichnung sagt, miteinander multipliziert. Beispielsweise kommt ein Baustein AD 633 zum Einsatz. Der Baustein AD 633 beispielsweise kann Eingangssignale von der Größenordnung +/–10 Volt ertragen und mit folgender Formel verarbeiten: W = (X1 – X2)(Y1 – Y2) / 10V + Z
Dabei wird beispielsweise X2 und Y2 auf Masse, also 0, gelegt. Nach dem Hochpassfilter ist das Akustiksignal mit einer einfachen Verstärkung so angepasst, dass der maximale Eingangspegel (X1) genutzt werden kann, ohne jedoch in die Sättigung zu kommen. Ansonsten würde dieses Signal in der maximal auftretenden Amplitude eventuell beschnitten werden, was ungünstig sein kann, da dann das Geräusch seltsam und übersteuert klingen würde. Gleiches gilt für das Führungssignal. Auch dieses kann über eine Verstärkung an den Analog-Multiplizierer geführt werden, und zwar in diesem Fall an den Eingang Y1. Diese Verstärkungen können individuell gestaltet werden, je nachdem, wie stark mit Hilfe der Führungsgröße Einfluss genommen werden soll. Speziell mit einer Führungsgröße aus der Motorsteuerung kann hier extrem gestalterisch eingegriffen werden.
Nach Tiefpässen beziehungsweise Tiefpassfiltern, die nach dem Analog-Multiplizierer folgen können, erfolgt vorzugsweise ebenfalls eine Signalanpassung. Diese wird vorzugsweise genau auf den möglichen Eingangspegel des Verstärkers ausgelegt. Auch dieser verkraftet nur bestimmte Pegel, damit er nicht übersteuert. Zudem ist der Eingangspegel je nach Leistung des Verstärkers und, welche Komponenten mit diesem verbunden sind, beeinflussend hinsichtlich der vom Verstärker abgegebenen Leistung, und dieser wird vorzugsweise entsprechend der maximalen Leistung des Aktors oder der Aktoren angepasst. Dies ist vorteilhaft, da mittels des Aktors das Geräusch erzeugt und der Aktor nicht beschädigt werden soll.
Wie bereits angedeutet, werden die Druckschwingungen mittels des Drucksensors an wenigstens einer Stelle in der Anlage erfasst. Vorzugsweise ist diese Stelle in einem Bereich angeordnet, welcher auch als Messbereich bezeichnet wird. Vorzugsweise wird als der Messbereich ein Bereich nach dem Verdichter möglichst dicht vor der Verbrennungskraftmaschine beziehungsweise deren Brennräumen genutzt, da dann der Drucksensor besonders nahe an der Schwingungserzeugung angeordnet ist und nicht durch übermäßige Massenbewegungen des Mediums beeinträchtigt wird, um eine Erfassung von Strömungsrauschen am Drucksensor zu vermeiden. Nach dem Verdichter, das heißt stromab des Verdichters, existieren meist zwei Ladedrucksensoren. Einer der Ladedrucksensoren befindet sich meist vor der Drosselklappe, und der andere Ladedrucksensor befindet sich nach der Drosselklappe. Der Ladedrucksensor vor der Drosselklappe ist weniger geeignet zur Akustikgewinnung. Daher wird vorzugsweise der andere Ladedrucksensor nach der Drosselklappe und/oder wenigstens ein separater Drucksensor genutzt.
Durch die Nutzung es Drucks mitsamt den enthaltenen Druckschwingungen als Messgröße ist es möglich, den Betrieb der Verbrennungskraftmaschine durch das erzeugte Geräusch besonders gut wiederzugeben, wobei sich ein besonders vorteilhaftes und sportliches Geräusch erzeugen lässt, welches nicht künstlich beziehungsweise synthetisch klingt, was insbesondere durch die diskrete direkte analoge Verarbeitung realisiert werden kann.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass als der Aktor ein Körperschallwandler oder ein Lautsprecher verwendet wird. Ein solcher Körperschallwandler wird auch als Shaker oder Exciter bezeichnet und unterscheidet sich dadurch von einem Lautsprecher, dass der Körperschallwandler im Gegensatz zum Lautsprecher keine Membran beziehungsweise Lautsprechermembran aufweist. Mittels des Körperschallwandlers werden Schallwellen beziehungsweise Schwingungen wenigstens eines Bauteils des Kraftfahrzeugs bewirkt, wodurch das Geräusch erzeugt wird, da dieses Bauteil Luftschwingungen an die Umgebung abgibt und somit den Schall umsetzt. Im Gegensatz dazu werden mittels eines Lautsprechers Schwingungen von der Luft mit Hilfe einer im Lautsprecher vorhandenen Membrane erzeugt, wodurch das Geräusch erzeugt wird. Durch den Einsatz eines Körperschallwandlers ist es möglich, das Geräusch besonders kostengünstig und unauffällig zu erzeugen. Der Einsatz eines Lautsprechers ist vorteilhaft, da Lautsprecher in einem größeren Frequenzbereich als Körperschallwandler Geräusche erzeugen können. Shaker sind gegenüber Lautsprechern wesentlich robuster und können unauffälliger untergebracht werden. Shaker und das Medium, welches die Schallwellen des Shakers aufnimmt, werden vorzugsweise aufeinander abgestimmt. Das Bauteil kann beispielsweise eine Fronthaube, insbesondere Motorhaube, oder eine sonstige Komponente im vorderen Bereich des Kraftfahrzeugs sein. Ein vorteilhafter Resonanzkörper wäre der Luftfilterkasten, welcher auch Ansauggeräuschdämpfer genannt wird, oder ein im Einlasstrakt verbautes Schwingvolumen. Der Shaker ermöglicht dabei eine besonders unauffällige Erzeugung des Geräuschs.
Ferner ist es denkbar, als den Aktor einen piezoelektrischen Aktor zu verwenden. Der piezoelektrische Aktor ist beispielsweise ein piezoelektrischer Flächenaktor. Dabei handelt es sich um eine Fläche, die piezoelektrisch Schallwellen erzeugen kann.
Ein besonders vorteilhaftes und angenehmes Geräusch lässt sich insbesondere dadurch realisieren, dass mittels des Aktors in Abhängigkeit von dem Ansteuersignal wenigstens ein Bauteil, insbesondere des Einlasstrakts, in Schwingung versetzt wird.
Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn das Ansteuersignal in Abhängigkeit von einem von dem Schwingungssignal unterschiedlichen, weiteren Signal erzeugt wird, welches einen Zustand des Kraftfahrzeugs charakterisiert. Dies bedeutet, dass das weitere Signal als zusätzliche Führungsgröße verwendet wird, welche das Schwingungssignal beeinflusst oder vollständig übernimmt. Dieser Ausführungsform liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei sehr einfachen Schaltungen der Nachteil besteht, dass kaum noch Einfluss auf das umgesetzte, zu erzeugende Geräusch, insbesondere Ansauggeräusch, genommen werden kann. Weist die Verbrennungskraftmaschine beispielsweise Techniken auf, die sich nachteilig auf das gewonnene Schwingungssignal auswirken, so kann dies durch die Zuhilfenahme der zusätzlichen Führungsgröße kompensiert werden. In der Folge kann das Geräusch besonders bedarfsgerecht und insbesondere in Abhängigkeit von unterschiedlichen Betriebszuständen der Verbrennungskraftmaschine erzeugt werden.
Die Verwendung des Differenzdrucksensors ist besonders vorteilhaft, da dieser schon im Stand im Leerlauf der Verbrennungskraftmaschine ein sehr ausgeprägtes Signal bereitstellen kann. Das Signal kann jedoch eine so starke Ausprägung haben, dass auch Geräusche wahrgenommen werden können, die undefiniert auftauchen und nicht vorteilhaft klingen. Daher erfolgt vorzugsweise die Einstellung, insbesondere Regelung, der Lautstärke über die externe Führungsgröße. Im Stand kann die Verstärkung auf 0 gesetzt werden. Sobald ein Gasstoß erfolgt, wird die Verstärkung auf das Maximum gesetzt. So ist der Aktor im Stand leise und wird hier nur bei Drehzahldynamik angesteuert.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Anlage als Ansaugtrakt ausgebildet, welcher von Luft als dem Medium durchströmbar ist. Dabei ist in dem Ansaugtrakt ein von der Luft durchströmbares Einlassmodul angeordnet, welches der zuvor genannte Ladedrucksammler beziehungsweise Luftsammler sein kann. Das Einlassmodul weist eine von der Luft durchströmbare Kammer sowie wenigstens einen fluidisch mit der Kammer verbundenen und von der Kammer abzweigenden, ersten Einlasskanal und wenigstens einen fluidisch mit der Kammer verbundenen und von der Kammer abzweigenden, zweiten Einlasskanal auf. Der erste Einlasskanal ist beispielsweise einem ersten Brennraum, insbesondere Zylinder, der Verbrennungskraftmaschine zugeordnet, sodass die Luft beziehungsweise zumindest ein erster Teil der Luft aus der Kammer mittels des ersten Einlasskanals dem ersten Brennraum zugeführt wird.
Der zweite Einlasskanal ist einem zusätzlich zum ersten Brennraum vorgesehenen, zweiten Brennraum, insbesondere Zylinder, der Verbrennungskraftmaschine zugeordnet, sodass die Luft beziehungsweise zumindest ein zweiter Teil der Luft aus der Kammer dem zweiten Brennraum über den zweiten Einlasskanal zugeführt wird. Die Einlasskanäle werden beispielsweise auch als Stutzen oder Einlassstutzen bezeichnet.
Wie bereits zuvor beschrieben, werden mittels des Differenzdrucksensors die Druckschwingungen als Schwingungen einer Druckdifferenz zwischen wenigstens zwei voneinander beabstandeten Stellen in der Anlage erfasst. An einer der Stellen herrscht beispielsweise ein erster Druck, wobei an der anderen Stelle ein zweiter Druck in der Anlage herrscht. Mittels des Differenzdrucksensors wird die Druckdifferenz zwischen diesen beiden Drücken erfasst. Die Drücke können voneinander unterschiedlich oder aber auch gleich sein, je nach Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine.
Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn zumindest eine der Stellen, insbesondere in dem ersten Einlasskanal, stromab der Kammer und stromauf eines Einlassventils des ersten Brennraums angeordnet ist. Es wurde gefunden, dass eine besonders hohe Signalgüte realisiert werden kann, wenn die Druckschwingungen mittels des Drucksensors möglichst nahe am Einlassventil beziehungsweise stromauf des Einlassventils erfasst werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die andere Stelle, insbesondere in dem zweiten Einlasskanal, stromab der Kammer und stromauf eines Einlassventils des zweiten Brennraums angeordnet ist. Ferner ist es denkbar, dass die andere Stelle in der Kammer angeordnet ist. Ferner wurde gefunden, dass sich eine besonders hohe Signalgüte und Qualität realisieren lässt, wenn die Stellen, an denen die Drücke erfasst werden, voneinander beabstandet und dabei besonders weit voneinander beabstandet sind. Ferner sollten diese Stellen asymmetrisch angeordnet sein, um eine symmetrische Erfassung des Drucks zu vermeiden. Dadurch können gegenseitige Auslöschungen von Motorordnungen vermieden werden, wobei es zu solchen Auslöschungen kommen kann, wenn ein symmetrischer Abgriff des Drucks erfolgt.
Zur Erfindung gehört auch eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Geräuschs, welches einen Betrieb einer eine von einem gasförmigen Medium durchströmbare Anlage aufweisenden Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs charakterisiert. Die Vorrichtung umfasst wenigstens einen Aktor und eine Steuereinrichtung. Die Vorrichtung ist zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet. Dies bedeutet, dass die Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, wenigstens ein von wenigstens einem Drucksensor bereitgestelltes Schwingungssignal zu empfangen, welches mittels des Drucksensors erfasste Druckschwingungen, insbesondere in der Anlage, charakterisiert. Ferner ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, einen Wechselanteil des Schwingungssignals zu bestimmen. Des Weiteren ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, wenigstens ein Ansteuersignal derart zu erzeugen, dass die Steuereinrichtung eine Frequenz des Ansteuersignals in Abhängigkeit von dem Wechselanteil bestimmt. Ferner ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, den Aktor in Abhängigkeit von dem Ansteuersignal anzusteuern, um dadurch mittels des Aktors das Geräusch zu erzeugen. Vorteile und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind als Vorteile und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung anzusehen und umgekehrt.
Beispielsweise umfasst die Steuereinrichtung eine Filterstrecke, die vorzugsweise analog ist. Denkbar ist, dass analoge Filter der Filterstrecke über einen kleinen Mikrocontroller gesteuert werden, um mitlaufende analoge Filter umzusetzen. Der vorbeschriebene Hochpass beziehungsweise Hochpassfilter könnte damit in Echtzeit in einem definierten Abstand unter der typischen Motorordnung laufen. Das könnte noch einen weiteren Vorteil bei der Filterung bieten und die Echtzeitfähigkeit bleibt erhalten.
Die Aufbereitung des Führungssignals könnte über eine Recheneinheit beziehungsweise einen Mikrocontroller erfolgen. Dieses Signal ist nicht echtzeitrelevant. Solch eine Einheit könnte zum Beispiel den Gleichanteil aus dem Ladedrucksensor herausfiltern und auf eine analoge Führungsgröße von der Motorsteuerung zurückgreifen. Auch könnte eine solche Recheneinheit eine Führungsgröße von einem Bussystem beziehen. Das Bussystem ist zum Beispiel ein CAN-Bus (CAN – Controller Area Network), auf den die Motorsteuerung ein individuell gestaltetes Führungsgrößensignal in jedem Fahrzeug zur Verfügung stellt. Wie schon beschrieben, ist ein von der Motorsteuerung gesteuertes Führungssignal deutlich komplexer gestaltbar. Auch für Nachrüstlösungen hätte dies einen Vorteil. Das Bussystem ist in jedem Fahrzeug verfügbar und kann auch nachträglich abgegriffen werden. Ein Steuersignal und somit eine Leitung von einer Motorsteuerung können nur aufwendig nachgerüstet werden. Solche Leitungen werden nicht vorgehalten, um Kosten zu sparen.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele mit den zugehörigen Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer aufgeladenen Verbrennungskraftmaschine gemäß einer ersten Ausführungsform für ein Kraftfahrzeug, wobei im Rahmen eines entsprechenden Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform ein Geräusch erzeugt wird, welches einen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine charakterisiert;
2 eine schematische Darstellung einer Kennlinie eines Drucksensors gemäß einer ersten Ausführungsform, welcher im Rahmen des Verfahrens verwendet wird;
3 eine schematische Darstellung der Kennlinie des Drucksensors gemäß einer zweiten Ausführungsform;
4 eine schematische Darstellung der Kennlinie des Drucksensors gemäß einer dritten Ausführungsform;
5 eine schematische Draufsicht eines Einlassmoduls gemäß einer ersten Ausführungsform zum Führen von Luft;
6 ein Schaltbild eines herkömmlichen, als Absolutdrucksensor ausgebildeten Ladedrucksensors;
7 ein Schaltbild eines als Absolutdrucksensor ausgebildeten Ladedrucksensors gemäß einer ersten Ausführungsform, welcher als Drucksensor im Rahmen des Verfahrens zum Einsatz kommt;
8 ein Schaltbild des Ladedrucksensors gemäß einer zweiten Ausführungsform;
9 ein Diagramm zur Veranschaulichung von im Rahmen des Verfahrens erfassten Druckschwingungen;
10 eine schematische Darstellung der Verbrennungskraftmaschine gemäß einer zweiten Ausführungsform, bei welcher das Verfahren gemäß einer zweiten Ausführungsform durchgeführt wird;
11 eine schematische Draufsicht des Einlassmoduls gemäß einer zweiten Ausführungsform;
12 eine schematische Perspektivansicht eines als Differenzdrucksensor ausgebildeten Drucksensors, welcher bei dem Verfahren gemäß der zweiten Ausführungsform zum Einsatz kommt;
13 eine schematische Darstellung der Verbrennungskraftmaschine gemäß einer dritten Ausführungsform;
14 eine schematische Draufsicht einer Messleiste, welche bei der Verbrennungskraftmaschine gemäß der dritten Ausführungsform zum Einsatz kommt;
15 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht der Verbrennungskraftmaschine gemäß einer vierten Ausführungsform;
16 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht der Verbrennungskraftmaschine gemäß einer fünften Ausführungsform; und
17 ein Diagramm zum Veranschaulichen von während eines Motorhochlaufs erfassten Druckschwingungen.
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine im Ganzen mit 1 bezeichnete Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftwagens wie beispielsweise eines Personenkraftwagens. Dabei ist in 1 eine erste Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine 1 gezeigt. Das Kraftfahrzeug ist mittels der Verbrennungskraftmaschine 1 antreibbar. Die Verbrennungskraftmaschine 1 umfasst ein Zylindergehäuse 2, welches auch Bestandteil eines Motorblocks der Verbrennungskraftmaschine 1 ist. In Zusammenschau mit 15 und 16 ist erkennbar, dass die Verbrennungskraftmaschine 1 ferner einen Zylinderkopf 5 aufweist, welcher separat von dem Zylindergehäuse 2 ausgebildet und mit dem Zylindergehäuse 2 verbunden ist. Durch das Zylindergehäuse 2 sind Brennräume in Form von Zylindern 3 gebildet, wobei die Verbrennungskraftmaschine vorliegend genau sechs Zylinder 3 aufweist. Die Zylinder 3 sind in Reihe angeordnet, sodass die Verbrennungskraftmaschine 1 als Sechs-Zylinder-Reihenmotor ausgebildet ist und auch als Verbrennungsmotor bezeichnet wird. Ferner wird die Verbrennungskraftmaschine 1 als Motor bezeichnet.
Dem jeweiligen Zylinder 3 sind vorliegend jeweils zwei erste Einlasskanäle 4 zugeordnet, wobei diese ersten Einlasskanäle 4 durch den Zylinderkopf 5 gebildet sind. Dem jeweiligen Einlasskanal 4 ist ein Gaswechselventil in Form eines Einlassventils zugeordnet, wobei eines der Einlassventile in 15 und 16 erkennbar und dort mit 11 bezeichnet ist. Das jeweilige Einlassventil 11 ist zwischen einer jeweiligen Schließstellung und wenigstens einer jeweiligen Offenstellung verstellbar, insbesondere relativ zu dem Zylinderkopf 5. In der Schließstellung versperrt das jeweilige Einlassventil 11 den jeweils zugehörigen Einlasskanal 4, sodass keine Luft von dem jeweiligen Einlasskanal 4 in den jeweiligen Zylinder 3 strömen kann. In der Offenstellung gibt das Einlassventil 11 den jeweiligen Einlasskanal 4 frei, sodass Luft durch den Einlasskanal 4 durchströmen und von dem Einlasskanal 4 in den jeweiligen Zylinder 3 einströmen kann.
Die Luft ist ein gasförmiges Medium, das dem jeweiligen Zylinder 3 über die jeweiligen Einlasskanäle 4 zugeführt werden kann. Ferner wird dem jeweiligen Zylinder 3 ein Kraftstoff, insbesondere flüssiger Kraftstoff, zugeführt, sodass im jeweiligen Zylinder 3 ein Kraftstoff-Luft-Gemisch entsteht. Dieses Kraftstoff-Luft-Gemisch wird verbrannt, woraus Abgas der Verbrennungskraftmaschine 1 resultiert. Vorliegend ist je Zylinder 3 eine Zündkerze 63 vorgesehen, mittels welcher das Kraftstoff-Luft-Gemisch im jeweiligen Zylinder 3 gezündet wird. Das Verfahren kann auch bei Verbrennungskraftmaschinen ohne Zündkerzen, beispielsweise für Dieselmotoren angewendet werden.
Die Verbrennungskraftmaschine 1 umfasst auch ein in 1 nicht erkennbares Kurbelgehäuse, welches beispielsweise einstückig mit dem Zylindergehäuse 2 ausgebildet ist. Alternativ ist es denkbar, dass das Kurbelgehäuse als ein separat vom Zylindergehäuse 2 ausgebildetes und mit dem Zylindergehäuse 2 verbundenes Gehäuseteil ausgebildet ist. Die als Hubkolben-Verbrennungsmaschine ausgebildete Verbrennungskraftmaschine 1 umfasst ferner eine Abtriebswelle in Form einer Kurbelwelle, welche an dem Kurbelgehäuse um eine Drehachse relativ zu dem Kurbelgehäuse drehbar gelagert ist. Über die Kurbelwelle stellt die Verbrennungskraftmaschine 1 Drehmomente zum Antreiben des Kraftfahrzeugs bereit. In dem jeweiligen Zylinder 3 ist ein Kolben 62 translatorisch bewegbar aufgenommen, wobei der jeweilige Kolben 62 über ein jeweiliges Pleuel gelenkig mit der Kurbelwelle gekoppelt ist. Dadurch werden die translatorischen Bewegungen des Kolbens 62 im jeweiligen Zylinder 3 in eine rotatorische Bewegung der Kurbelwelle um ihre Drehachse umgewandelt. Die Verbrennungskraftmaschine 1 weist einen von der Luft durchströmbaren Einlasstrakt 6 auf, mittels welchem die den Einlasstrakt 6 durchströmende Luft zu den Zylindern und in die Zylinder 3 geführt wird. Hierzu weist der Einlasstrakt 6 eine Ansaugmündung 7 auf, über welche die Luft in den Einlasstrakt 6 strömen kann. Der Einlasstrakt 6 ist somit eine Anlage, die von einem gasförmigen Medium in Form der Luft durchströmbar ist. Der Einlasstrakt 6 ist auf einer Einlassseite angeordnet, auf welcher die Luft in die Zylinder 3 einströmt.
Im Einlasstrakt 6 ist ein Luftfilter 8 angeordnet, welcher einen Luftfilterkasten 9 umfasst. Der Luftfilterkasten 9 ist ein Gehäuse des Luftfilters 8 und wird auch als Ansauggeräuschdämpfer bezeichnet. Durch den Luftfilterkasten 9 ist ein von der Luft durchströmbarer Aufnahmeraum begrenzt, in welchem wenigstens ein Filterelement vorliegend in Form einer Luftfiltermatte 10 angeordnet ist. Die Luftfiltermatte 10 ist von der Luft durchströmbar, wobei die die Luftfiltermatte 10 durchströmende Luft mittels der Luftfiltermatte 10 gefiltert wird, sodass beispielsweise in der Luft enthaltene Partikel an der Luftfiltermatte 10 hängen bleiben und somit aus der Luft gefiltert werden. Die den Einlasstrakt 6 durchströmende Luft wird bezogen auf ihre Strömungsrichtung durch den Einlasstrakt 6 stromauf der Luftfiltermatte 10 als Rohluft bezeichnet, sodass der Einlasstrakt 6 stromauf der Luftfiltermatte 10 einen sogenannten Rohluft-Bereich aufweist. Zu diesem Rohluft-Bereich gehören die Ansaugmündung 7, der Luftfilterkasten 9 und die Luftfiltermatte 10.
Da die Luft mittels der Luftfiltermatte 10 gefiltert und dadurch gereinigt wird, wird die Luft stromab der Luftfiltermatte 10 als Reinluft bezeichnet, sodass der Einlasstrakt 6 stromab der Luftfiltermatte 10 einen Reinluft-Bereich aufweist. Im Einlasstrakt 6 ist darüber hinaus ein Ladeluftsammler 12 angeordnet, welcher auch als Einlassmodul bezeichnet wird und von der Luft durchströmbar ist. Mittels des Ladeluftsammlers 12 wird die Luft auf die Zylinder 3 aufgeteilt und in die Zylinder 3 geführt, sodass der Ladeluftsammler 12 auch als Luftverteiler, insbesondere Ladeluft-Verteiler, bezeichnet wird. Ferner wird der Ladeluftsammler 12 als Sammler oder Luftsammler bezeichnet, da sich die komprimierte Luft zunächst in dem Ladeluftsammler 12 sammeln kann, bevor die Luft in die Zylinder 3 strömt beziehungsweise die komprimierte Luft in den jeweiligen Zylinder 3 gedrückt wird. Der Ladeluftsammler 12 (Einlassmodul) weist eine von der Luft durchströmbare Kammer 13 sowie fluidisch mit der Kammer 13 verbundene und demzufolge von der Luft durchströmbare Einlasskanäle 14 auf, welche auch als Luftrohr oder Ladedruckrohr bezeichnet werden. Um die Zylinder 3 besser voneinander unterscheiden zu können, wird ein erster der Zylinder 3 mit A, ein zweiter der Zylinder 3 mit B, ein dritter der Zylinder 3 mit C, ein vierter der Zylinder 3 mit D, ein fünfter der Zylinder 3 mit E und der sechste Zylinder 3 mit F bezeichnet.
Aus 1 ist erkennbar, dass die Einlasskanäle 4 des ersten Zylinders A fluidisch mit einem ersten der Einlasskanäle 14 verbunden sind, wobei die Einlasskanäle 4 des zweiten Zylinders B fluidisch mit einem zweiten der Einlasskanäle 14, die Einlasskanäle 4 des dritten Zylinders C fluidisch mit einem dritten der Einlasskanäle 14, die Einlasskanäle des vierten Zylinders D fluidisch mit einem vierten der Einlasskanäle 14, die Einlasskanäle 4 des fünften Zylinders E fluidisch mit einem fünften der Einlasskanäle 14 und die Einlasskanäle 4 des sechsten Zylinders F fluidisch mit dem sechsten Einlasskanal 14 des Ladeluftsammlers 12 verbunden sind. Dadurch wird dem ersten Zylinder A die Luft über den ersten Einlasskanal 14 zugeführt. Dem zweiten Zylinder B wird die Luft über den zweiten Einlasskanal 14 zugeführt. Ferner wird die Luft dem dritten Zylinder C über den dritten Einlasskanal 14, dem vierten Zylinder D über den vierten Einlasskanal 14, dem fünften Zylinder E über den fünften Einlasskanal 14 und dem sechsten Zylinder F über den sechsten Einlasskanal 14 zugeführt.
Die Verbrennungskraftmaschine 1 ist als aufgeladene Verbrennungskraftmaschine beziehungsweise aufgeladener Verbrennungsmotor ausgebildet und weist hierbei einen im Einlasstrakt 6 angeordneten Verdichter 15 auf, welcher vorliegend als Radialverdichter ausgebildet ist. Der Verdichter 15 umfasst ein von der Luft durchströmbares Verdichtergehäuse 16 sowie ein Verdichterrad 17, welches in dem Verdichtergehäuse 16 aufgenommen und um eine Drehachse relativ zu dem Verdichtergehäuse 16 drehbar ist. Mittels des Verdichters 15, insbesondere mittels des Verdichterrads 17, wird die den Einlasstrakt 6 durchströmende Luft verdichtet, sodass den Zylindern 3 verdichtete Luft zugeführt wird. Im Einlasstrakt 6 ist stromauf der Zylinder 3 und stromab des Verdichters 15, insbesondere des Verdichterrads 17, ein Einstellelement in Form einer Drosselklappe 18 angeordnet, welche in einem sogenannten Ladeluft-Bereich des Einlasstrakts 6 angeordnet ist. Mittels der Drosselklappe 18 ist eine in den Zylinder 3 einströmende Menge der Luft einstellbar. Hierzu ist die Drosselklappe 18 relativ zu dem Ladeluftsammler 12 bewegbar und insbesondere um eine Schwenkachse verschwenkbar. Bei Motoren mit variabler Ventilhubverstellung wird die gleiche Funktionalität alternativ oder zusätzlich über den Ventilhub realisiert.
Das Versorgen der Zylinder 3 mit verdichteter Luft wird auch als Aufladen bezeichnet, wobei die verdichtete Luft auch als Ladeluft bezeichnet wird. Somit weist der Einlasstrakt 6 stromab des Verdichterrads 17, mittels welchem die Luft verdichtet wird, einen sogenannten Ladeluft-Bereich auf, sodass also die Drosselklappe 18 und der Ladeluftsammler 12 in dem Ladeluft-Bereich angeordnet sind. Die verdichtete Luft kann über die Einlassventile 11 in die Zylinder 3 einströmen. Demzufolge sind die Einlassventile 11 in einem Ladeluftbereich angeordnet.
In der Umgebung der Verbrennungskraftmaschine 1 weist die Luft einen Druck P1 auf, wobei dieser Druck als Umgebungsdruck bezeichnet wird. Stromab der Luftfiltermatte 10 und stromauf des Verdichterrads 17 weist die Luft in dem Einlasstrakt 6 einen Druck P2 auf. Durch das Verdichten der Luft wird die Luft erwärmt. Um dennoch einen besonders hohen Aufladegrad zu realisieren, ist in dem Einlasstrakt 6 stromab des Verdichterrads 17 eine Kühleinrichtung in Form eines Ladeluftkühlers 19 angeordnet.
Der Ladeluftkühler 19 ist ebenfalls in dem Ladeluftbereich angeordnet. Mittels des Ladeluftkühlers 19 wird verdichtete und dadurch erwärmte Luft gekühlt, bevor sie in die Zylinder 3 einströmt. Der Ladeluftkühler 19 ist somit stromab des Verdichterrads 17 und stromauf der Zylinder 3, insbesondere stromauf des Ladeluftsammlers 12, angeordnet. Dabei ist die Drosselklappe 18 stromab des Verdichterrads 17, insbesondere stromab des Verdichterrads 17 und stromab des Ladeluftkühlers 19, und stromauf des Ladeluftsammlers 12 beziehungsweise stromauf der Zylinder 3 angeordnet. Die Drosselklappe 18 kann dabei vor (stromauf) oder auch nach (stromab) dem Ladeluftkühler 19 angeordnet sein.
Die Luft weist stromauf der Drosselklappe 18 und stromauf des Ladeluftkühlers 19 einen Druck P4 auf, wobei die Luft stromab der Drosselklappe 18 und stromauf der Zylinder 3 einen Druck P5 in dem Einlasstrakt 6, insbesondere in dem Ladeluftsammler 12, aufweist. Der Druck P5 wird beispielsweise auch als Ladedruck bezeichnet, wobei die Luft mit dem Druck P5 (Ladedruck) in die Zylinder 3 einströmt, sodass die Zylinder 3 mit dem Ladedruck versorgt werden.
Wie zuvor beschrieben, wird den Zylindern 3 nicht nur die Luft, sondern auch Kraftstoff, insbesondere flüssiger Kraftstoff, zugeführt. Beispielsweise wird der Kraftstoff direkt in die Zylinder 3 eingespritzt. Alternativ oder zusätzlich ist eine Saugrohreinspritzung denkbar, in deren Rahmen der Kraftstoff stromauf der Zylinder 3, insbesondere stromauf der Einlassventile 11, in den Einlasstrakt 6 eingespritzt wird.
Die Verbrennungskraftmaschine 1 umfasst ferner einen Abgastrakt 20, welcher von dem Abgas durchströmbar ist. Der Abgastrakt 20 umfasst dabei einen Krümmer 21, welcher auch als Abgaskrümmer bezeichnet wird. Mittels des Abgaskrümmers wird das Abgas aus den Zylindern 3 abgeführt. Der Abgastrakt 20 ist somit eine weitere Anlage der Verbrennungskraftmaschine 1, wobei diese weitere Anlage von einem gasförmigen Medium in Form des Abgases durchströmbar ist. In dem Abgastrakt 20 ist stromab des Krümmers 21 eine Abgasnachbehandlungseinrichtung vorliegend in Form eines Katalysators 22 angeordnet. Ferner ist im Abgastrakt 20 stromab des Katalysators 22 ein Schalldämpfer 23 angeordnet. Der Abgastrakt 20 weist ferner eine Abgasrohrmündung 24 auf, über welche das Abgas aus dem Abgastrakt 20 ausströmen kann.
Der Verdichter 15 kann beispielsweise als Kompressor, das heißt als mechanischer Lader ausgebildet sein. Ein solcher mechanischer Lader ist über ein Antriebssystem mit der Kurbelwelle gekoppelt und demzufolge von der Kurbelwelle mechanisch antreibbar. Bei dem Antriebssystem handelt es sich beispielsweise um einen Umschlingungstrieb wie beispielsweise einen Ketten- oder Riementrieb.
Vorliegend jedoch ist der Verdichter 15 Bestandteil eines im Ganzen mit 25 bezeichneten Abgasturboladers, welcher eine in dem Abgastrakt 20 angeordnete Turbine 26 umfasst. Die Turbine 26 weist ein von dem Abgas durchströmbares Turbinengehäuse 27 und ein Turbinenrad 28 auf, welches in dem Turbinengehäuse 27 angeordnet und um eine Drehachse relativ zu dem Turbinengehäuse 27 drehbar ist. Vorliegend fällt die Drehachse des Turbinenrads 28 mit der Drehachse des Verdichterrads 17 zusammen. Das Verdichterrad 17 und das Turbinenrad 28 sind Bestandteil eines Rotors des Abgasturboladers 25, wobei dieser Rotor auch eine Welle 29 umfasst. Die Welle 29 ist um die zuvor genannte Drehachse drehbar, wobei das Verdichterrad 17 und das Turbinenrad 28 drehfest mit der Welle 29 verbunden sind.
Das Abgas der Verbrennungskraftmaschine 1 kann das Turbinenrad 28 anströmen und dadurch antreiben, sodass das Turbinenrad 28 von dem Abgas antreibbar ist beziehungsweise angetrieben wird. Dadurch wird das Verdichterrad 17 über die Welle 29 von dem Turbinenrad 28 angetrieben, wodurch mittels des Verdichterrads 17 die den Einlasstrakt 6 durchströmende Luft verdichtet wird. Somit kann im Abgas enthaltene Energie zum Verdichten der Luft genutzt werden, sodass sich ein besonders effizienter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 1 realisieren lässt. Insbesondere können die Anzahl der Zylinder 3 sowie das Hubvolumen beziehungsweise der Hubraum der Verbrennungskraftmaschine 1 gering gehalten werden, wobei gleichzeitig dadurch, dass die Zylinder 3 mit verdichteter Luft versorgt werden, besonders hohe spezifische Leistungen und Drehmomente der Verbrennungskraftmaschine 1 realisierbar sind.
Die Verbrennungskraftmaschine 1 umfasst auch eine Umgehungseinrichtung 30, welche als Wastegate bezeichnet wird. Die Umgehungseinrichtung 30 umfasst einen Umgehungskanal 31, über welchen das Turbinenrad 28 zumindest von einem Teil des den Abgastrakt 20 durchströmenden Abgases zu umgehen ist. Darunter ist zu verstehen, dass das den Umgehungskanal 31 durchströmende Abgas das Turbinenrad 28 nicht anströmt und demzufolge nicht antreibt. Das den Umgehungskanal 31 durchströmende Abgas wird an einer bezogen auf die Strömungsrichtung des Abgases durch den Abgastrakt 20 stromauf des Turbinenrads 28 angeordneten Stelle abgezweigt. Das abgezweigte Abgas durchströmt den Umgehungskanal 31 und wird an einer stromab des Turbinenrads 28 angeordneten Stelle in den Abgastrakt 20 wieder eingeleitet.
Die Umgehungseinrichtung 30 umfasst ferner ein beispielsweise als Klappe ausgebildetes Ventilelement 32, mittels welchem eine den Umgehungskanal 31 durchströmende Menge des Abgases einstellbar ist. Dadurch ist es beispielsweise möglich, die Leistung (Laderdrehzahl) der Turbine 26 und somit die Menge des Abgases einzustellen. Dadurch ist es beispielsweise möglich, die Leistung der Turbine 26 und somit den Ladedruck einzustellen. Der Abgastrakt 20 ist auf einer Auslassseite oder Abgasseite der Verbrennungskraftmaschine 1 angeordnet, wobei das Abgas auf der Auslassseite aus den Zylindern 3 ausströmt. Ferner ist in 1 mit 33 eine Ladedruckseite bezeichnet, welche die Ladedruckrohre, das heißt den Ladeluftsammler 12 und den Ladeluft-Bereich umfasst.
Im Einlasstrakt 6 sind Ladedrucksensoren 34 und 35 angeordnet, wobei die Ladedrucksensoren Drucksensoren sind, mittels welchen jeweils wenigstens ein Druck im Einlasstrakt 6, insbesondere ein Druck der Luft im Einlasstrakt 6, erfassbar ist. Vorliegend sind die Ladedrucksensoren 34 und 35 als Absolutdrucksensoren ausgebildet. Der Ladedrucksensor 34 ist stromab des Verdichterrads 17 und stromauf der Drosselklappe 18 angeordnet, wobei der Ladedrucksensor 35 stromab der Drosselklappe 18 und dabei stromauf der Zylinder 3 angeordnet ist. Insbesondere ist der Ladedrucksensor 35 stromauf der Einlasskanäle 4 und stromauf der Einlasskanäle 14 angeordnet, sodass beispielsweise mittels des Ladedrucksensors 35 ein in dem Ladeluftsammler 12, insbesondere in der Kammer 13, herrschender Druck der Luft erfassbar ist.
Wären im Einlasstrakt 6 kein Verdichter zum Verdichten der Luft und kein Ladeluftkühler angeordnet, so wäre die Verbrennungskraftmaschine 1 als sogenannter Saugmotor ausgebildet. Ein solcher Saugmotor saugt während seines Betriebs die Luft über den Einlasstrakt 6 an und in die Zylinder 3 ein. Da bei einem Saugmotor der Abgasturbolader 25 und die Umgehungseinrichtung 30 entfallen, weist ein solcher Saugmotor einen relativ einfachen Aufbau auf. Da der Saugmotor über den Einlasstrakt 6 die Luft ansaugt, wird der Einlasstrakt 6 auch als Ansaugseite bezeichnet. Diese Ansaugseite ist bei einem Saugmotor sehr kurz und offen gestaltet.
Die Verbrennungskraftmaschine 1 ist beispielsweise als Viertaktmotor ausgebildet, sodass die Verbrennungskraftmaschine 1 innerhalb eines Arbeitsspiels vier Arbeitstakte aufweist beziehungsweise durchführt. Ein solches Arbeitsspiel umfasst genau zwei vollständige Umdrehungen der Kurbelwelle, das heißt 720 Grad Kurbelwinkel [°KW]. Der erste Arbeitstakt wird als Ansaugen bezeichnet, da sich der jeweilige Kolben 62 in Richtung seines unteren Totpunkts bewegt und dadurch Luft in den jeweiligen Zylinder 3 ansaugt. Während dieser Zeit sind auch die Einlassventile 11 des jeweiligen Zylinders 3 geöffnet. Der zweite Arbeitstakt wird als Verdichten bezeichnet, da sich der Kolben 62 in Richtung seines oberen Totpunkts bewegt, wodurch die sich im Zylinder 3 befindende Luft verdichtet wird. Der dritte Arbeitstakt wird auch als Verbrennen oder Arbeiten bezeichnet, da im dritten Arbeitstakt das Kraftstoff-Luft-Gemisch verbrannt wird, wodurch das Kraftstoff-Luft-Gemisch expandiert und der Kolben 62 wieder in Richtung seines unteren Totpunkts bewegt wird. Hierdurch wird die Kurbelwelle angetrieben.
Der vierte Arbeitstakt (Takt) wird auch als Ausstoßen bezeichnet, da im vierten Takt das Abgas mittels des Kolbens 62 aus dem Zylinder 3 ausgestoßen beziehungsweise ausgeschoben wird. Während dieser Zeit sind auch Auslassventile 36 (15) des entsprechenden Zylinders 3 geöffnet.
Aus 1 ist erkennbar, dass dem jeweiligen Zylinder 3 vorliegend zwei Auslasskanäle 37 zugeordnet sind. Der jeweilige Auslasskanal 37 ist beispielsweise durch den Zylinderkopf 5 gebildet. Dem jeweiligen Auslasskanal 37 ist ein Gaswechselventil in Form eines Auslassventils 36 zugeordnet. Das Auslassventil 36 ist zwischen einer jeweiligen Schließstellung und wenigstens einer jeweiligen Offenstellung verstellbar. In der Schließstellung versperrt das jeweilige Auslassventil 36 den jeweils zugehörigen Auslasskanal 37, sodass kein Abgas beziehungsweise Gas aus dem jeweiligen Zylinder 3 in den jeweiligen Auslasskanal 37 strömen kann. In der jeweiligen Offenstellung gibt das jeweilige Auslassventil 36 den jeweils zugehörigen Auslasskanal 37 frei, sodass Abgas beziehungsweise ein Gas aus dem jeweiligen Zylinder 3 in den jeweiligen Auslasskanal 37 strömen kann.
Beispielsweise bei einem Vier-Zylindermotor durchfährt jeder Zylinder 3 beziehungsweise Kolben 62 versetzt die entsprechenden Arbeitstakte. Während beispielsweise einer der Zylinder 3 in die Verbrennung übergeht und somit den Kolben 62 nach unten beschleunigt, durchfährt ein anderer der Kolben 62 die gleiche Bewegung und saugt dabei Luft an. Dabei schnellt der Kolben 62 nach unten, während bei diesem Zylinder 3 die Einlassventile 11 durch eine Nockenwelle geöffnet werden. Somit saugt dieser Zylinder 3 sprungartig Luft an, die aus dem Einlasstrakt 6, welche auch als Sauganlage bezeichnet wird, ziehen kann. Die in den jeweiligen Zylinder 3 einströmende Menge der Luft wird durch die Öffnungszeit der Einlassventile 11, durch die Stellung der Drosselklappe 18 und durch den Einlasstrakt 6 bestimmt, wobei die Stellung der Drosselklappe 18 auch als Klappenwinkel oder Drosselklappenwinkel bezeichnet wird.
Es entstehen je nach Drosselklappenstellung und Motordrehzahl extreme Unterdruckschwingungen im Ladeluftsammler 12, da dieser konstruktionsbedingt nicht gleichmäßig die gewünschte Luftmenge zur Verfügung stellen kann. Diese sehr ausgeprägten Druckschwankungen beziehungsweise Druckschwingungen bilden gleichzeitig Schallwellen, deren Frequenz abhängig von der Anzahl der Zylinder 3 und der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine 1, insbesondere der Kurbelwelle, ist. Diese Schallwellen können zum Beispiel bei Volllast, bei welcher die Drosselklappe 18 vollständig geöffnet ist, fast ungehindert bis an die Ansaugmündung 7 gelangen. Diese Luftschwingungen sind sogar so stark, dass man mit einer entsprechenden Konstruktion eine zusätzliche akustische Abstrahlung erreichen kann. Bei einer solchen Konstruktion sind beispielsweise dünne Wandungen des Ladeluftsammlers 12 und/oder des Luftfilterkastens 9 vorgesehen. Bei Sportwagen mit Saugmotoren wird bei der Konstruktion sogar speziell darauf geachtet, eine besonders gute Akustikabstrahlung zu erreichen. Hierfür werden im Luftfiltergehäuse 9 und dem Einlasstrakt 6, insbesondere der Ladeluftsammler 12, dünne Bauteile aus faserverstärktem Kunststoff, insbesondere kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK), eingesetzt, die eine besonders dünne und somit schwingungsoptimierte Wandstärke ermöglichen. Die Druckverhältnisse bei einem Saugmotor sind je nach Drosselklappenwinkel derart, dass der Druck nach der Drosselklappe 18 kleiner als der Druck P2 vor der Drosselklappe 18 und der Druck P2 kleiner ist als der Druck P1, wobei der Druck P1 dem barometrischen Umgebungsdruck entspricht.
Im Vergleich zu einem Saugmotor kann aus 1 der gegenüber dem Saugmotor komplexere Aufbau der aufgeladenen Verbrennungskraftmaschine 1 erkannt werden. Speziell die Ansaugseite, welche auch als Einlassseite bezeichnet wird, weist im Vergleich zum Saugmotor zusätzliche Komponenten insbesondere in Form des Verdichters 15 auf. Eine weitere zusätzliche Komponente ist der Ladeluftkühler 19. Durch diese zusätzlichen Komponenten sind die offene Gestaltung und somit die Durchgängigkeit des Einlasstrakts 6 wie bei einem Saugmotor nicht mehr realisierbar. Bei einer aufgeladenen Verbrennungskraftmaschine 1 stellen der Ladeluftkühler 19 und demgegenüber noch stärker der Abgasturbolader 25, insbesondere der Verdichter 15, eine akustische Barriere dar. Mittels der Turbine 26 wird das Abgas beziehungsweise der Abgasmassenstrom und der vorhandene Abgasdruck genutzt, um den Verdichter 15 auf Drehzahl zu bringen beziehungsweise anzutreiben. Der Rotor wird beispielsweise auf Drehzahlen von circa 150.000 Umdrehungen pro Minute gehalten und mittels des Wastegates (Umgehungseinrichtung 30) geregelt. Der Verdichter 15, welcher eine Ansaugturbine ist, drückt dabei die Luft durch den Ladeluftkühler 19 in Richtung der Zylinder 3. Nach dem Verdichterrad 17 muss die Luft eine Engstelle passieren, wobei die Engstelle beispielsweise durch einen von der verdichteten Luft durchströmbaren Kanal des Verdichtergehäuses 16 gebildet ist. Somit bilden der Kanal sowie das Verdichterrad 17 selbst eine Engstelle und somit eine akustische Barriere.
Akustisch ähnlich verhält sich der Ladeluftkühler 19. Hier wird die Luft durch feine Kanäle mit großer Oberfläche gedrückt, sodass die Luft gekühlt werden kann. Von der Verbrennungskraftmaschine 1 beziehungsweise vom Zylindergehäuse 2 kommende Schallwellen werden durch den konzeptbedingten Aufbau des Ladeluftkühlers 19 und des Abgasturboladers 25 gedämpft. Stromauf der Drosselklappe 18 wird vom Abgasturbolader 25 stets ein gewisser Ladedruck zur Verfügung gestellt. Je nach Fahrerwunsch und somit Lastanforderung wird mittels der Drosselklappe 18 dann nur der Ladedruck für die Zylinder 3 durchgelassen, der benötigt wird. Die Luft wird somit nicht wie bei einem Saugmotor in die Zylinder 3 angesaugt, sobald die Drosselklappe 18 geöffnet wird, sondern in die Zylinder 3 gedrückt.
Der Fahrer des Kraftfahrzeugs kann eine von der Verbrennungskraftmaschine 1 über die Kurbelwelle bereitzustellende Last mittels eines Betätigungselements insbesondere in Form eines Fahrpedals einstellen, indem der Fahrer das Fahrpedal betätigt beziehungsweise bedient. Dieses Einstellen der von der Verbrennungskraftmaschine 1 über die Kurbelwelle bereitzustellende Last wird auch als Lastanforderung bezeichnet. Durch Betätigen des Bedienelements wird die Drosselklappe 18 entsprechend bewegt beziehungsweise verstellt, wodurch dann die Menge der Luft und somit die Last eingestellt werden.
Zwischen den Zylindern 3 und der Drosselklappe 18 kommen somit – bis auf wenige Ausnahmen – keine Unterdrücke mehr zustande. Es gibt jedoch Einzelfälle, die durch ein spätes Ansprechverhalten des Abgasturboladers 25 entstehen können. Die extremen Druckschwingungen in der Luftsäule wie bei einem Saugmotor gibt es bei der aufgeladenen Verbrennungskraftmaschine 1 nicht mehr. Es sind jedoch leichte Schwingungen, insbesondere Druckschwingungen, vorhanden. Es handelt sich dabei um minimale Druckunterschiede, die entstehen, wenn bei einem anliegenden Ladedruck spontan ein Ventil, das heißt beispielsweise eines der Einlassventile 11, geöffnet wird und der Ladedruck das durch das Öffnen des Einlassventils 11 neu entstandene Volumen des entsprechenden Zylinders 3 ausgleicht. Da der Sammler (Ladeluftsammler 12) praktisch nur einen gewissen Luftvorrat hat, entstehen dadurch leichte kurzzeitige Schwingungen im Druckpegel. Mit anderen Worten entstehen Druckänderungen in Form von Druckschwingungen, welche auch als Schwingungen des Einlasstrakts 6 angesehen beziehungsweise bezeichnet werden.
Diese Druckschwingungen sind jedoch im Vergleich zu einem Saugmotor relativ gering. Somit weist die aufgeladene Verbrennungskraftmaschine 1, welche auch als Turbomotor bezeichnet wird, im Vergleich zu einem Saugmotor eine schlechtere Ansaugakustik auf. Die Gründe für die schlechtere Ansaugakustik eines Turbomotors sind daher:

– sehr geringe Schwingungsamplituden in der Luftsäule vor den Zylindern 3;
– die Drosselklappe 18 wirkt als erste Akustikbarriere;
– der Ladeluftkühler 19 mit seiner engen Luftführung wirkt als zweite Akustikbarriere;
– der Abgasturbolader 25 mit seiner Engstelle am Verdichterrad 17 wirkt als dritte Akustikbarriere;
– deutlich längere Rohluftführung gegenüber einem Saugmotor;
– keine Abstrahlung über das gesamte Ansauggehäuse auf der Ladeluftseite (wenige Schwingungen, wobei eine sehr steife Auslegung bezüglich des zu erwartenden Berstdrucks hinzukommt).

Ähnliche Bedingungen findet man auch bei einer Kompressoraufladung, bei welcher ein mechanischer Lader verwendet wird. Somit hat jede Art von aufgeladenem Motor kaum noch ein Ansauggeräusch wie es akustisch einem Saugmotor ähnelt. Bei Kompressoren und Turboladern gibt es teilweise Pump- und Heulgeräusche, die jedoch vom Verdichter selbst stammen. Auch Abblasgeräusche von einfachen Turboladerkonzepten können noch einen kleinen Effekt auf die Ansaugakustik geben. Diese sind aber in den meisten Fällen nicht gewünscht und werden mit zusätzlichen Maßnahmen gedämpft.
Dabei werden moderne Verbrennungskraftmaschinen zunehmend nach dem sogenannten Downsizing-Prinzip ausgestaltet. Aber speziell das fehlende Ansauggeräusch ist unerwünscht, sodass im Inneren beziehungsweise im Innenraum des Kraftfahrzeugs die fehlende Akustik eines Turbomotors im Vergleich zu einem Saugmotor beispielsweise durch unterschiedliche technische Mittel künstlich aufgewertet wird. Diese Techniken sind bereits weit entwickeln, aber die typische Wahrnehmung als Ansauggeräusch, das von der Verbrennungskraftmaschine 1 kommt, ist nicht gegeben. Mit anderen Worten klingen Geräusche, welche mittels solcher Techniken erzeugt und einen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 1 charakterisieren sollen, sehr künstlich beziehungsweise synthetisch und werden selten mit sportlichen Saugmotoren assoziiert. Diese künstlichen beziehungsweise synthetischen Geräusche sind zudem nur im Innenraum wahrnehmbar. In der Umgebung des Kraftfahrzeugs sind keine Ansauggeräusche beziehungsweise Ansaugakustik akustisch wahrnehmbar. Es kann sogar so weit gehen, dass in der Umgebung des Kraftfahrzeugs nur noch mechanische Geräusche der Verbrennungskraftmaschine 1 wahrgenommen werden. Diese mechanischen Geräusche werden üblicherweise nicht immer als wertig wahrgenommen. Beispielsweise können von außen klackernde Einspritzventile, Hochdruckpumpen und/oder andere Bauteile des Turbomotors akustisch wahrgenommen werden.
Üblicherweise sind alle Maßnahmen, mittels welchen im Kraftfahrzeug die Akustik eines Turbomotors aufgewertet werden soll, sehr aufwendig. Das zu erzeugende Geräusch muss üblicherweise speziell für das jeweilige Kraftfahrzeug entwickelt und dann aufwendig appliziert werden. Zwar wird ein Geräusch erzeugt, jedoch sind die Entstehung dieses Geräuschs sowie die Umsetzung komplett künstlich. Üblicherweise handelt es sich dabei um eine Akustik, die vom Motor mittels Körperschall (Motorlage) sowie der Abgasanlage (Aufhängegummis) über die Abgasmündung (Luftschall) ins Fahrzeuginnere gelangt. Dieser Basisakustik wird dann bei Bedarf ein künstliches Geräusch hinzugefügt. Ein Ansauggeräusch, welches eine Person sowohl im Innenraum des Kraftfahrzeugs als auch von außen wahrnehmen kann, existiert bei modernen Verbrennungsmotoren praktisch nicht mehr.
Es ist bekannt, mechanische Systeme einzusetzen, welche die Ladedruckschwingungen an die Umwelt abgeben können. Diese mechanischen Systeme werden konstruktiv an die Fahrzeugkabine angebunden und reichen von der Leistung aus, ob im Fahrzeuginneren eine entsprechende Motorakustik umzusetzen. Ein repräsentatives Ansauggeräusch können sie jedoch nicht erreichen beziehungsweise nicht leisten. Dafür reicht die umsetzbare Schallleistung nicht aus.
Ferner ist es denkbar, einen oder mehrere Lautsprecher in der Fahrzeugfront oder in der Ansauganlage, insbesondere stromauf des Luftfilterkastens 9, anzuordnen. Nachteilig hierbei sind jedoch die Art der Umsetzung sowie die Kosten. Ein solcher Lautsprecher ist relativ leicht erkennbar und wird daher meist als irreführend angesehen. Dies ist insbesondere der Fall, wenn mittels Steuergeräten künstliche Akustiken geschaffen werden. Zudem weist ein solches Steuergerät eine komplexe und kostenintensive Technik auf. Üblicherweise kommt hierzu ein digitaler Signal-Prozessor (DSP) zum Einsatz, welcher mittels Kennfeldern Echtzeitsignale erzeugt, die dann mittels Verstärkern und Aktoren akustisch umgesetzt werden können. Hinzu kommt eine aufwendige Applikation, die notwendig wird, um entsprechende Daten für ein solches Steuergerät zu entwickeln. Zudem bleibt immer der Eindruck, dass das Geräusch künstlich ist beziehungsweise synthetisiert wird. Diese Steuergeräte können zwar in Echtzeit eine Akustik erzeugen, üblicherweise mangelt es an der kurbelsynchronen Ausgabe. Würde man es mit der aktuell vorhandenen Technik – die im Innenraum benutzt wird – umsetzen, dann käme es zu Schwebungen im Signal und dies würde den künstlichen Charakter nochmals verstärken.
Daher werden im Folgenden ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben, mittels welchen ein einen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 1 charakterisierendes, besonders vorteilhaftes und angenehmes Geräusch erzeugt werden kann, wobei dieses Geräusch nicht als synthetisch oder künstlich wahrgenommen wird, sondern vielmehr wird als tatsächliches Sauggeräusch beziehungsweise als tatsächliche Ansaugakustik, insbesondere eines Saugmotors, wahrgenommen. Dabei sind das Verfahren und die Vorrichtung besonders einfach aufgebaut beziehungsweise durchführbar, wobei die Vorrichtung sogar als nachrüstbares System ausgestaltet werden kann, mit welchem herkömmliche, bereits existierende Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Turbomotoren, ergänzt werden können. Durch die Umsetzung ist immer die gleiche Phasenlage von vorhandener Motorakustik und neu hinzugefügter Akustik gewährleistet, was nochmals den natürlichen Geräuscheindruck unterstützt. Ferner sind unterschiedliche Ausbaustufen beziehungsweise Ausführungsformen denkbar. Darüber hinaus sind das System und die Vorrichtung nicht auffällig und werden somit nicht optisch wahrgenommen. Denkbar ist sogar, die Vorrichtung in den Motorraum, in welchem die Verbrennungskraftmaschine 1 aufgenommen ist, zu integrieren, ohne dass die Vorrichtung auf den ersten Blick für eine Person ersichtlich ist. Zwar wird die Akustik ebenfalls künstlich umgesetzt, jedoch ist der Ursprung des erzeugten Geräuschs echt beziehungsweise wird von der Verbrennungskraftmaschine 1 tatsächlich abgegeben.
Wie im Folgenden noch genauer erläutert wird, wird das Ansauggeräusch aus echten Ladungswechsel-Schwingungen, das heißt aus echten Druckschwingungen, welche im Einlasstrakt 6, insbesondere im Ladeluftsammler 12, entstehen, gewonnen und ist daher von der Erzeugung nicht künstlich. Die Wiedergabe erfolgt über wenigstens einen Aktor 38. Der Aktor 38 ist beispielsweise ein Shaker, welcher auch als Körperschallwandler oder Exciter bezeichnet wird. Alternativ ist es denkbar, dass der Aktor 38 als ein Lautsprecher ausgebildet ist. Auch eine piezoelektrische Schallabstrahlung ist denkbar. Ein Lautsprecher kann insbesondere dann zum Einsatz kommen, wenn eine Möglichkeit gefunden wird, seine Spezifikation bezüglich der Umwelteinflüsse einzuhalten. Ein Shaker (Körperschallwandler) hat den Vorteil, dass er einen nur geringen Bauraumbedarf aufweist und somit nur wenig Platz benötigt und zum Beispiel einen bereits vorhandenen Resonanzkörper wie beispielsweise den Luftfilterkasten 9, eine Rohluftführung, eine Motorhaube des Kraftfahrzeugs etc. nutzen kann. Ein solcher Shaker arbeitet im Prinzip wie ein Lautsprecher, nur dass der Shaker keine Lautsprechermembrane aufweist. Ein Lautsprecher weist gegenüber einem Shaker eine höhere Schallleistung und ein größeres Frequenzband auf, jedoch weist ein Shaker im Vergleich zu einem Lautsprecher einen geringeren Bauraumbedarf und eine höhere Robustheit beziehungsweise Haltbarkeit auf. Ein Shaker kann insbesondere zum Einsatz kommen, da ein so breites Frequenzband, wie es ein Lautsprecher bereitstellen kann, bei der Erzeugung des Geräuschs nicht unbedingt benötigt wird. Durch die Verwendung des Shakers kann die Vorrichtung insgesamt robuster und bauraumgünstiger ausgestaltet werden und somit besonders gut verstaut werden.
Eine echte Schwingung, insbesondere Druckschwingung, aus dem Ladungswechsel eines Turbomotors – die gegebenenfalls leicht gefiltert und verstärkt Wiedergeben der Ansaugakustik eines Saugmotors entspricht – könnte dem Turbomotor wieder die vom Saugmotor bekannte Ansaugakustik und akustische Attraktivität beziehungsweise Emotionen zurückgeben. Sie würde zudem den Turbomotor hochwertiger erscheinen lassen. Es könnten zudem mechanische und nicht unbedingt erwünschte Geräusche aus dem Motorraum überdeckt werden. Die Technik des Verfahrens und der Vorrichtung ist einfach, kostengünstig und sowohl als Serien – wie auch als Einbau – beziehungsweise After Sale-Lösung denkbar. Eine solche After Sale-Lösung wird auch als Nachrüstlösung bezeichnet.
Im Folgenden wird in Zusammenschau mit 1 eine erste Ausführungsform des Verfahrens und der Vorrichtung erläutert, wobei diese erste Ausführungsform des Verfahrens und der Vorrichtung bei der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine 1 zum Einsatz kommt.
Um mittels des Aktors 38 das Geräusch als ein Ansauggeräusch der Verbrennungskraftmaschine 1 zu erzeugen, wird auf wenigstens einen physikalischen Wert beziehungsweise auf wenigstens eine Messgröße, insbesondere physikalische Messgröße, zurückgegriffen. Im einfachsten Fall ist diese physikalische Messgröße der Ladedruck (Druck P5) stromab der Drosselklappe 18, wobei der Ladedruck mittels wenigstens eines Drucksensors in Form eines zusätzlich zu den Ladedrucksensoren 34 und 35 vorgesehenen Ladedrucksensors 39 erfasst wird. Alternativ ist es denkbar, dass wenigstens einer der Ladedrucksensoren 34 und 35 durch den Ladedrucksensor 39 ersetzt werden. Insbesondere wird zur Erzeugung des Geräuschs auf Schwingungen des Ladedrucks, das heißt auf Druckschwingungen, zurückgegriffen, welche tatsächlich im Einlasstrakt 6, insbesondere im Ladeluftsammler 12, auftreten. In 1 ist mit BE ein Bereich bezeichnet, in welchem der Ladedruck und somit die Schwingungen des Ladedrucks, das heißt die Druckschwingungen, mittels des Ladedrucksensors 39 erfasst werden. Der Bereich BE hat sich somit als besonders vorteilhafter Verbaubereich beziehungsweise Verbauort erwiesen, um dort als die zuvor genannten physikalische Messgröße den Ladedruck beziehungsweise die Druckschwingungen (Schwingungen des Ladedrucks) zu erfassen, auf deren Basis das Geräusch erzeugt wird.
Dies bedeutet, dass mittels des als Drucksensors ausgebildeten Ladedrucksensors 39 ein stromauf der Zylinder 3, insbesondere stromauf der Einlasskanäle 14, und stromab der Drosselklappe 18 in dem Einlasstrakt 6, insbesondere in der Kammer 13, herrschender Druck erfasst wird. Während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine 1 kommt es zu Schwingungen dieses mittels des Ladedrucksensors 39 erfassten Drucks, sodass mittels des Ladedrucksensors 39 die zuvor genannten Druckschwingungen in dem Einlasstrakt 6, insbesondere in der Kammer 13, erfasst werden. Die zuvor genannte Messgröße ist somit der Druck P5 beziehungsweise der Ladedruck, welcher Schwingungen beziehungsweise Druckschwingungen unterworfen ist beziehungsweise aufweist. Zum Betreiben, insbesondere Regeln, der Verbrennungskraftmaschine 1 ist ein in 1 mit 51 bezeichnetes Steuergerät vorgesehen, welches auch als Motorsteuerung bezeichnet wird. Zum Einstellen, insbesondere Regeln, des Ladedrucks benötigt die Motorsteuerung (Steuergerät 51) lediglich wenigstens einen Absolutwert des Ladedrucks, sodass der Ladedrucksensor 34 und/oder 35 und/oder 39 als Absolutdrucksensor ausgebildet ist beziehungsweise ausgebildet sein kann und somit als den Ladedruck einen Absolutdruck misst.
Daher können einige Ladedrucksensoren bereits mit einer internen Filterung versehen sein, welche Oberschwingungen, die in diesem Fall als unnötiges Störsignal empfunden werden, auf einem Drucksignal verringern sollen. Dieses Drucksignal ist beispielsweise ein von dem jeweiligen Ladedrucksensor bereitgestelltes und den jeweiligen erfassten Ladedruck charakterisierendes Signal. Mit anderen Worten ist das Drucksignal ein Signal, insbesondere ein elektrisches Signal, das von dem jeweiligen Ladedrucksensor bereitgestellt wird und den erfassten Ladedruck charakterisiert. Ein solcher, mit einer internen Filterung, insbesondere einer Tiefpassfilterung, welche die hochfrequenten Oberschwingungen minimieren soll, versehener Sensor (Drucksensor) ist nicht immer zur Signalgewinnung geeignet. Für die Ladedruckerfassung der Motorsteuerung ist ein solcher Sensor gut geeignet. Für die Akustikerfassung ist ein solcher Sensor jedoch von Nachteil, insbesondere dann, wenn der Tiefpass unterhalb des gewünschten Akustikbereichs anfängt. Für diesen Einsatz sind aber auch Sensoren denkbar, die über keine interne Filterung verfügen. Eine Tiefpass-Filterung erfolgt bereits heute in der Motorsteuerung. Diese kann also bei einem Sensor ohne interne Filterung noch weiter ausgeprägt werden. Dies wäre die einfachste Version zur Signalgewinnung. Ein separater Sensor ohne internen Filter wäre aber auch denkbar.
Wie im Folgenden noch genauer erläutert wird, ist es im Rahmen des Verfahrens zum Erzeugen des Geräuschs vorgesehen, dass mittels des Ladedrucksensors 39 Druckschwingungen in dem Einlasstrakt 6 erfasst werden. Ferner stellt der Ladedrucksensor 39 wenigstens ein die mittels des Ladedrucksensors 39 erfassten Druckschwingungen charakterisierendes Schwingungssignal bereit. Insbesondere mittels einer Schaltung 50, welche als elektrische Schaltung ausgebildet sein kann, wird ein Wechselanteil des Schwingungssignals bestimmt. Das Schwingungssignal wird der Schaltung 50 zugeführt und von der Schaltung 50 empfangen. Vorzugsweise ist die Schaltung 50 als analoge und/oder diskrete Schaltung ausgebildet. Mittels der Schaltung 50 wird wenigstens ein Ansteuersignal derart erzeugt, dass eine Frequenz des Ansteuersignals in Abhängigkeit von dem Wechselanteil bestimmt wird. Des Weiteren wird der Aktor 38, insbesondere mittels der Schaltung 50, in Abhängigkeit von dem Ansteuersignal, das heißt mittels des Ansteuersignals, angesteuert, um dadurch mittels des Aktors 38 das gewünschte Geräusch zu erzeugen.
Vorteilhaft ist eine günstige Position des Ladedrucksensors 39, auf dessen Schwingungssignal zur Erzeugung des Geräuschs zurückgegriffen wird. Vorteilhaft ist, wenn der Ladedrucksensor 39 auf der Ladedruckseite besonders nahe am Motoreinlass, das heißt an den Einlassventilen 11 und dabei stromauf der Einlassventile 11 angeordnet ist. Eine Positionierung des Ladedrucksensors 39 auf der Reinluftseite stromauf des Verdichterrads 14 oder auf der Ladedruckseite unmittelbar nach dem Verdichterrad 17, insbesondere stromab des Verdichterrads 17 und stromauf der Drosselklappe 18, hat sich als eher ungünstig erwiesen. Bereiche stromauf des Verdichterrads 17 sowie stromauf der Drosselklappe 18 enthalten zwar Schwingungen, aber diese Schwingungen beinhalten keine oder nur geringe Akustikinformationen, die nutzbar sind. Auch eine Position des Ladedrucksensors 39 direkt stromab der Drosselklappe 18 ist ungünstig, da hier hohe Strömungsgeschwindigkeiten herrschen. Vorzugsweise werden mittels des Ladedrucksensors 39 Druckschwingungen an einer Stelle erfasst, welche stromab der Drosselklappe 18 und stromauf der Einlassventile 11 angeordnet ist. Diese Stelle ist vorliegend in dem Bereich B und vorliegend in der Kammer 13 angeordnet.
Versuche haben gezeigt, dass eine Positionierung des Ladedrucksensors 39 direkt nach der Drosselklappe 18 nachteilhaft ist. Ferner haben Versuche am Fahrzeug gezeigt, dass aktuell verwendete Ladedrucksensoren eine hinreichende Signalgüte bezüglich Frequenzinhalt aufweisen können. Im Prinzip eignen sich Positionen beziehungsweise Stellen direkt im Ladeluftsammler 12 vor dem Motoreinlass. Die Position des Ladedrucksensors 39 hat jedoch auch Einfluss auf die Zusammensetzung des Schwingungssignals, welches ein Akustiksignal ist, das aus den erfassten Druckschwingungen gewonnen wird. Das gewonnene Akustiksignal klingt an unterschiedlichen Positionen vor dem Motoreinlass unterschiedlich. Das Potential ist an vielen Stellen ähnlich gut, es ist aber in der Zusammensetzung, insbesondere hinsichtlich des Frequenzspektrums, unterschiedlich. Die Laufzeiten der Druckschwingungen verändern sich mit unterschiedlichen Einbaupositionen. Unterschiedliche Einbaupositionen bieten also einen unterschiedlichen Klang im späteren, zu erzeugenden Ansauggeräusch.
Eine besonders hohe Signalgüte und Qualität des Schwingungssignals lässt sich beispielsweise realisieren, wenn der Ladedrucksensor 39 einen integrierten beziehungsweise internen Hochpassfilter aufweist, sodass das Schwingungssignal aus einem mittels des Hochpassfilters gefilterten Rohsignal gewonnen wird. Beispielsweise umfasst der Ladedrucksensor 39 wenigstens ein Sensorelement, mittels welchem die Druckschwingungen erfasst werden. Das Sensorelement stellt das zuvor genannte, die mittels des Sensorelements erfassten Druckschwingungen charakterisierendes Rohsignal bereit, wobei dieses Rohsignal mittels des internen Hochpassfilters des Ladedrucksensors 39 gefiltert wird, wodurch aus dem Rohsignal das Schwingungssignal erzeugt wird. Mit anderen Worten ist das Schwingungssignal beispielsweise das mittels des Hochpassfilters gefilterte Rohsignal. Die vorigen und folgenden Ausführungen zu dem als Absolutdrucksensor ausgebildeten Ladedrucksensor 39 können auch auf einen Differenzdrucksensor angewendet werden, welcher auch als Relativdrucksensor bezeichnet wird.
2 zeigt eine mögliche Kennlinie des Ladedrucksensors 39 gemäß einer ersten Ausführungsform, wobei der Ladedrucksensor 39 gemäß der ersten Ausführungsform eine interne Hochpassfilterung, das heißt einen integrierten Hochpassfilter aufweist, mittels welchem das Rohsignal gefiltert wird, um dadurch das Schwingungssignal zu erzeugen.
Die Schwingungen des Ladedrucks sind zwar nur sehr gering ausgeprägt, sie können jedoch als Basis für einen Akustikgewinn herangezogen werden. Das Schwingungssignal beziehungsweise Drucksignal verfügt über ein breites Frequenzspektrum, welches von der Drehzahl, den Steuerzeiten beziehungsweise dem Winkel der verstellbaren Nockenwelle und gegebenenfalls weiteren Verstellwerten abhängig ist. Gegenüber einem Saugmotor, bei welchem die Drücke ebenfalls, jedoch mit einem Differenzdrucksensor gemessen werden, sind die Ladedruckschwingungen beziehungsweise ein die Ladedruckschwingungen charakterisierendes Messsignal hinsichtlich seiner Amplitude sehr gering ausgeprägt. Dies gilt auch bezüglich der Ausprägung über die abgerufene Last- und Drehzahl.
Der Ladedrucksensor 39 wandelt die physikalische Messgröße in Form des erfassten Drucks P5 (Ladedruck) in eine elektrische Messgröße, das heißt in das elektrische Signal beziehungsweise Schwingungssignal um. Das Schwingungssignal sieht ähnlich wie die physikalische Messgröße aus, steht jedoch als elektrische Spannung beispielsweise in der Einheit Volt zur Verfügung. Elektrisch gesehen handelt es sich bei dem vom Ladedrucksensor 39 bereitgestellten Schwingungssignal um eine Mischspannung.
Diese Mischspannung umfasst eine Gleichspannung mit überlagerter Wechselspannung. Die Motorsteuerung filtert mit einem Tiefpassfilter die überlagerten Schwingungen heraus und nutzt nur den Gleichanteil des Signals. Somit wird im Rahmen des Verfahrens der Gleichanteil von dem Wechselanteil des von dem Ladedrucksensor 39 bereitgestellten Schwingungssignals getrennt beziehungsweise umgekehrt. Dies kann mittels einfacher Schaltungen, insbesondere elektrischer Schaltungen, wie der Schaltung 50 erfolgen. Im günstigsten Fall erfolgt dies mittels eines Kondensators. Für die Akustikumsetzung wird auf einen für die Ladedruckmessung unerwünschten Wechselanteil des vom Sensor bereitgestellten Signals (Schwingungssignal) zurückgegriffen. Kondensatoren bilden in der elektrischen Schaltung 50 eine Gleichspannungssperre (Hochpassfilter) und lassen nur den Wechselanteil ab einer bestimmten Frequenz durch, für die der Filter ausgelegt wird. Erste Versuche haben gezeigt, dass eine ganz einfache Gleichstromsperre nicht ausreicht. Da das Schwingungssignal ein elektrisches Signal insbesondere in Form einer elektrischen Spannung ist, wird der Gleichanteil auch als Gleichspannungsanteil und der Wechselanteil auch als Wechselspannungsanteil bezeichnet.
Im Rahmen eines Versuchs wurde aus den erfassten Druckschwingungen eines Volllasthochlaufs der Gleichspannungsanteil mit einer einfachen Gleichspannungsfilterung (Kondensator) entfernt. Idealerweise würde der gesamte Verlauf um die Nulllinie verlaufen. Speziell zum Start der Volllastmessung, wobei das Fahrpedal aus niedriger Drehzahl voll durchgedrückt wird, und während der Volllastbeschleunigung zeigt das gewonnene Signal (Schwingungssignal) jedoch deutliche Überschwingungen. Dabei steigt der Ladedruck sprunghaft an und weist dann einen Überschwinger auf. In diesen Bereichen zeigt der Ladedruck extreme Gradientenwechsel. Diese bestehen ebenfalls aus Wechselanteilen, die von einer einfachen Gleichspannungssperre nicht erkannt werden. Akustisch sind diese Überschwinger nicht unbedingt ein Problem. Bei der Auslegung der Schaltung 50 müssen sie jedoch berücksichtigt werden. Anstatt einer einfachen Gleichstromsperre ist daher eventuell ein Hochpassfilter mit einer Grenzfrequenz von um die 100 Hertz oder größer von Vorteil.
Ein Sensor mit integrierter Gleichstromsperre oder einem integrierten Hochpassfilter mit größer als 40 Hertz Grenzfrequenz wäre auch eine Möglichkeit, die Signalgewinnung zu vereinfachen. Eventuell wäre eine dem Hochpassfilter nachgeschaltete Bandsperre denkbar. Sollte eine ungewollte Frequenz auftreten, könnte man diese direkt mindern.
Ein einfacher Hochpassfilter 1. Ordnung kann zum Beispiel alleine aus einem Widerstand und einem Kondensator bestehen. Je effizienter und genauer ein Hochpassfilter sein soll, desto mehr Bauteile werden benötigt. Ein Hochpassfilter 2. Ordnung hat zum Beispiel meist einen zusätzlichen Operationsverstärker oder kann auch mit kleinen integrierten Bausteinen gelöst werden. Auf die genaue Schaltungsauslegung wird hier und im Folgenden nur teilweise eingegangen. Die folgenden Schaltungsstufen können nämlich in vielerlei Ausführungen umgesetzt werden. Mit einem kleinen Mehraufwand können die Filter auch so gestaltet werden, dass sie mittels einer Führungsgröße ihre Filtergrenzfrequenz ändern. Gleiches gilt für Bausteine wie Tiefpassfilter, Analog-Multiplizierer etc.
Das Schwingungssignal ist beispielsweise ein Spannungsverlauf bei konstanter Drehzahl und leicht steigendem Drehmoment, wobei das Schwingungssignal einen Wechselanteil und einen Gleichanteil aufweist. Beispielsweise mittels eines idealen Hochpassfilters wird der Gleichanteil entfernt, sodass der reine Wechselanteil übrig bleibt. Der Wechselanteil kann über steigendes Drehmoment in der Amplitude und Frequenz variieren. Mit Hilfe dieses einfachen Schritts kann man eine benötigte Akustikinformation beziehungsweise ein Akustiksignal gewinnen. Vorliegend wird ein Frequenzspektrum gewonnen, welches der Ladungswechsel an der Einlassseite bietet. Die Frequenzen, welche der Hochpassfilter abdämpft, sind nicht mehr enthalten.
Bei einem Saugmotor wird die Ansaugakustik über die Lastanforderung lauter. Gibt der Fahrer beispielsweise Vollgas, so wird die Drosselklappe 18 weit beziehungsweise vollständig geöffnet, und die Geräusche von der Verbrennungskraftmaschine 1 können direkt über den gesamten Einlasstrakt 6 ins Freie gelangen. Beim Turbomotor öffnet sich zwar über die Lastanforderung die Drosselklappe 18 ebenfalls, aber der Effekt wie bei einem Saugmotor bleibt aus. Beim Turbomotor steigt aber entsprechend der Lastanforderung durch die geöffnete Drosselklappe 18 der Ladedruck vor den Einlassventilen 11. Der Ladedruck als physikalischer Wert beziehungsweise als physikalische Messgröße entspricht dem Gleichanteil des vom Ladedrucksensor 39 bereitgestellten Schwingungssignals. Daher wird das Schwingungssignal ohne den Wechselanteil erzeugt. Mit anderen Worten wird der Gleichanteil vom Wechselanteil getrennt, wobei der Wechselanteil entfernt wird. Für solch eine Trennung eignet sich idealerweise ein Tiefpassfilter. Mit anderen Worten kann der Wechselanteil mittels eines Tiefpassfilters entfernt werden, sodass der Gleichanteil gewonnen wird. Durch diesen Schritt hat man eine Basis zur Umsetzung einer Lastanforderung gewonnen. Nun liegt ein Akustiksignal in Form des Wechselanteils beziehungsweise einer Wechselspannung vor, welche ein entsprechendes Frequenzspektrum enthält. Zudem liegt der Gleichanteil beziehungsweise eine Gleichspannung oder ein Gleichspannungssignal vor, welches der Lastanforderung entspricht. Beispielsweise wird auf ein Akustiksignal zurückgegriffen, in dessen Amplitude sich die Lastanforderung wiederfindet. Das Frequenzspektrum soll identisch bleiben, jedoch soll die Amplitude proportional zu der Lastanforderung steigen. Vereinfacht gesagt stellt der Wechselanteil ein Geräusch mit einer Frequenz beziehungsweise einem Frequenzspektrum dar, wobei die Lautstärke des Geräuschs beziehungsweise des Tons und somit des mittels des Aktors 38 zu erzeugenden Geräusch mit zunehmender Lastanforderung steigen beziehungsweise mit abnehmender Lastanforderung fallen soll.
Da der Gleichanteil – wie beschrieben – die Lastanforderung darstellt, stellt der Gleichanteil gleichzeitig die Lautstärke des Tons beziehungsweise des Geräuschs dar, sodass also mittels des Gleichanteils die Lautstärke des Geräuschs eingestellt wird.
Insbesondere ist es vorgesehen, dass das Ansteuersignal derart erzeugt wird, dass die Frequenz des Ansteuersignals in Abhängigkeit von dem Wechselanteil und eine Amplitude des Ansteuersignals in Abhängigkeit von dem Gleichspannungsanteil bestimmt wird. Hierzu werden zur Erzeugung des Ansteuersignals der gewonnene Gleichanteil und der gewonnene Wechselanteil zusammengeführt. Diese Art der Zusammenführung kann auf unterschiedliche Weise gestaltet werden. Im einfachsten Fall erfolgt die Zusammenführung über eine Operationsverstärker-Schaltung (OP-Schaltung), welche beispielsweise einen Analog-Multiplizierer nachbildet. Das Ergebnis der Zusammenführung ist beispielsweise das Ansteuersignal.
Bei Versuchen lag die bei einem 2,5-bar-Absolut- beziehungsweise Relativdrucksensor herausgefilterte Amplitude in der maximalen Aussteuerung bei circa +/–0,2 bis 0,3 Volt. Das entsprach etwa einer Druckschwankung beziehungsweise Druckschwingung auf dem Ladedruck von +/–200 bis 250 Millibar. Mit Hilfe der zuvor beschriebenen internen Hochpassfilterung beziehungsweise mittels des integrierten Hochpassfilters könnte die Ausgabekennlinie entsprechend ausgelegt werden. Dies bedeutet, dass, wenn keine Schwingungen vorhanden sind, der Ladedrucksensor 39 beziehungsweise ein Ladedrucksensor ein Ausgangssignal von 2,5 Volt bereitstellt. Dieses Ausgangssignal ist ein sogenannter Nullpunkt, der in 2 mit Vmess0 bezeichnet ist. Für die maximal positiven Druckschwingungen von beispielsweise 250 Millibar (Pmaxpositiv) erhält man beispielsweise 4 Volt (Vmessmax+) und für die maximal negativen Druckschwingungen erhält man von 250 Millibar (Pmaxnegativ) erhält man 1 Volt (Vmessmax–).
Ferner ist es denkbar, den Ladedrucksensor 39 mit einer gekrümmten Kennlinie einzusetzen. 3 zeigt die Kennlinie des Ladedrucksensors 39 gemäß einer zweiten Ausführungsform, wobei die Kennlinie des Ladedrucksensors 39 in der zweiten Ausführungsform gekrümmt ist. Dadurch kann bei sehr gering ausgeprägten Druckschwingungen, insbesondere im unteren Drehzahl-/Lastbereich, eine stärkere Verstärkung vorgenommen werden, und in oberen Druckbereichen kann eine geringere Verstärkung vorgenommen werden. Dies kann in mehreren Stufen geschehen.
4 zeigt die Kennlinie des Ladedrucksensors 39 gemäß einer dritten Ausführungsform, wobei auch die Kennlinie bei der dritten Ausführungsform des Ladedrucksensors 39 gekrümmt ist. Ab einer bestimmten Druckamplitude könnte man die Verstellung gegen 0 gehen lassen, sodass das Sensorsignal nicht beschnitten wird. Somit wäre der Sensor (Ladedrucksensor 39) besonders flexibel auf unterschiedliche Motoren, Einlasstrakte und/oder Verbauorte mit unterschiedlichen Signalausprägungen bezüglich der Intensität einsetzbar. Dadurch könnte im unteren Drehzahl-/Lastbereich eine deutlich höhere Ausprägung und ein deutlich besserer Signal- beziehungsweise Rauschabstand geschaffen werden.
Beispielsweise ist es denkbar, dass das aufbereitete Ansteuersignal einem Verstärker zugeführt wird. Der Verstärker wird auch als Leistungsverstärker bezeichnet, wobei das Ansteuersignal beispielsweise dem Verstärker zugeführt wird. Mittels des Verstärkers wird das Ansteuersignal verstärkt, sodass dann der Aktor 38 mittels des verstärkten Ansteuersignals angesteuert wird, um schließlich das Geräusch in Form eines Ansauggeräuschs zu erzeugen. Auch für den Funktionsblock der Leistungsumsetzung gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Der Verstärker kann mit geeigneten Leistungstransistoren aufgebaut werden. Aber es gibt auch spezielle Bausteine, die einen kompletten Leistungsverstärker beinhalten und nur noch wenig an Zusatzschaltung benötigen. Ein solcher Verstärker kann auch so beschaffen sein, um mehrere von der Leistung her gleiche oder mehrere von der Leistung her unterschiedliche Aktoren mit unterschiedlichen Verbauorten gleichzeitig zu versorgen.
Als der Aktor 38 kann ein Lautsprecher oder ein Körperschallwandler zum Einsatz kommen. Auch andere elektroakustische Wandler wie zum Beispiel piezoelektrische Wandler sind denkbar. Ferner ist es möglich, eine Kombination von unterschiedlichen Aktoren einzusetzen. Der Körperschallwandler (Shaker) kann dabei Bestandteil eines oder mehrerer Bauteile des Ansaugtrakts 6, insbesondere von Ansaugluftführung, sein. Beispielsweise ist der Shaker beziehungsweise der Aktor 38 Bestandteil des Luftfilterkastens 9. Wie aus 1 erkennbar ist, ist der Aktor 38 vorliegend in einem Luftfilterkasten 9 angeordnet, sodass der Luftfilterkasten 9 in Abhängigkeit von dem Ansteuersignal mittels des Aktors 38 in Schwingungen versetzt wird, um dadurch das Geräusch zu erzeugen. Weitere Verbauorte wären zum Beispiel eine Fronthaube, insbesondere eine Motorhaube, oder an Karosserieflächen, insbesondere in der Front des Kraftfahrzeugs.
Auch separate Akustikgehäuse, welche im Motorraum untergebracht werden können, sind denkbar. Selbst mehrere Aktoren im Frontbereich und ein deutlich kleinerer Shaker an einer Stirnwand zum Innenraum wären denkbar.
5 zeigt den Ladeluftsammler 12 gemäß einer ersten Ausführungsform. In 5 sind Abgriffsmöglichkeiten beziehungsweise Abgriffe mit M1–8 bezeichnet. Unter einem solchen Abgriff M1–8 ist die zuvor beschriebene Stelle zu verstehen, an welcher mittels des Ladedrucksensors 39 beziehungsweise mittels eines Differenzdrucksensors der Druck und somit die Druckschwingungen im Einlasstrakt 6 erfasst werden können. Für die normale Ladedruckerfassung, wie sie von einer Motorsteuerung benötigt wird, ist der Abgriff M7 von Vorteil. Für die Motorsteuerung wären die Überlagerungen direkt in den Einlasskanälen bzw. an den Abgriffen M1 bis M6 nicht statisch genug. Für eine Akustikmessung mittels Differenzdrucksensor sind die Abgriffe M1 bis M6 für den ersten Druckabgriff in Kombination mit dem Abgriff M7 oder M8 für den zweiten Abgriff vorteilhaft. Für einen Absolutdrucksensor (Sensor mit einem Messstuzen) mit interner Hochpassfilterung ist eher der Abgriff M7 denkbar.
In diesem Fall haben wir ja einen Reihenmotor. Bei einem V-Motor mit zwei getrennten Ansaugbrücken könnte man jeweils einen Abgriff eines Differnzdrucksensors im Bereich M7 der jeweiligen Ansaugbrücke setzen.
Beim System mit einem Absolutdrucksensor mit interner Hochpassfilterung müsste man jede Ansaugbrücke eines V-Motors im Bereich M7 aufnehmen und die Signale schaltungstechnisch zusammenlegen.
Der zum Erfassen der Druckschwingungen eingesetzte Drucksensor kann eine Temperaturerfassung aufweisen, sodass der Drucksensor beispielsweise ferner dazu ausgebildet ist, eine Temperatur der Luft in dem Einlasstrakt 6 zu erfassen.
6 zeigt ein Schaltbild eines mit 40 bezeichneten, herkömmlichen Absolutdrucksensors, welcher als Ladedrucksensor, insbesondere als Ladedrucksensor 34 und/oder 35 und/oder 39, verwendet werden kann. Der Absolutdrucksensor 40 weist einen ersten Anschluss 41, einen zweiten Anschluss 42 und einen dritten Anschluss 43 auf, wobei die Anschlüsse 41, 42 und 43 auch als Pins bezeichnet werden. Der Anschluss 41 ist ein Versorgungsanschluss, über welchen der Absolutdrucksensor 40 mit seiner Versorgungsspannung von vorliegend 5 Volt versorgt wird. Über den Anschluss 43 wird der Absolutdrucksensor 40 mit der Masse verbunden. Über den Anschluss 42 stellt der Absolutdrucksensor 40 sein Sensorsignal bereit, welches einen Druck, insbesondere Absolutdruck, welcher mittels des Absolutdrucksensors 40 erfasst wird, charakterisiert. Bei diesem Sensorsignal handelt es sich somit beispielsweise um das zuvor beschriebene Schwingungssignal bzw. um ein Ladedrucksignal, welches mit einem schwach ausgeprägten Schwingungssignal (Akustikinformation) beaufschlagt ist. Mit anderen Worten, wird der Absolutdrucksensor 40 zum Erfassen des Ladedrucks verwendet, so ist das Sensorsignal ein Drucksignal in Form eines Ladedrucksignals, welches das den mittels des Absolutdrucksensors 40 erfassten Ladedruck charakterisiert. Beispielsweise liegt das Sensorsignal in einem Bereich von einschließlich 0,5 bis einschließlich 4,5 Volt.
Aus 6 ist insbesondere erkennbar, dass der Absolutdrucksensor 40 mit der Versorgungsspannung von 5 Volt und der Masse versorgt wird und das Sensorsignal in Form einer Spannung, insbesondere elektrischen Spannung, ausgibt. Dies bedeutet, dass der Absolutdrucksensor 40 die Spannung, die das Sensorsignal charakterisiert, über den Anschluss 42 ausgibt. Beispielsweise durch eine interne Umprogrammierung beziehungsweise Ergänzung kann ein Hochpassfilter beziehungsweise kann eine Hochpassfilterung in den Absolutdrucksensor 40 integriert werden, wie es zum Beispiel in 7 gezeigt ist. Ferner ist es möglich, durch eine interne Umprogrammierung und/oder Ergänzung die beispielsweise in 2 gezeigte Kennlinie in die in 3 oder 4 gezeigte Kennlinie zu ändern. 6 zeigt einen herkömmlichen Absolutdrucksensor. Er gibt den Ladedruck aus, auf dem eine schwach ausgeprägte Schwingung liegt. Diese hat zwar eine Akustikinformation, jedoch durch die geringe Ausprägung bzgl. Amplitude ergibt sich eine sehr geringe Signalgüte. Dadurch können sich Einstreuungen von außen leicht bemerkbar machen. Durch die im Vergleich zu den Einstreuungen niedrige Signalamplitude kommt es zu einem relativ schlechten Signal-Rausch-Abstand. Umprogrammieren kann man bei diesem Sensor beispielsweise den maximal erfassbaren Ladedruck. Die aufgeführten Kennlinien sind erst mit dem intern umgesetzten Hochpass möglich, der in 7 gezeigt ist.
7 zeigt den als Absolutdrucksensor ausgebildeten Ladedrucksensor 39 gemäß einer ersten Ausführungsform. Der in den Ladedrucksensor 39 integrierte Hochpassfilter ist in 7 mit HP bezeichnet. Der Ladedrucksensor 39 gemäß 7 stellt über den Anschluss 42 die elektrische Spannung bereit, welche die erfassten Druckschwingungen charakterisiert. Die im Anschluss 42 bereitgestellte Spannung schwingt beziehungsweise schwankt beispielsweise infolge der Druckschwingungen mit +/–2 Volt um einen Basiswert, welcher vorzugsweise +2,5 Volt beträgt. Dieser Basiswert ist das zuvor genannte Ausgangssignal von 2,5 Volt (Vmess0).
Hier kann Bezug auf 2,3 und 4 genommen werden. Der Sensor ist zwar dem Ladedruck ausgesetzt, jedoch geht nach dem Hochpass diese Information verloren. Nach dem Hochpass ist jeder Ladedruck der sich grad am Sensor einstellt der Druck P0 aus Fig. und 4. Egal ob im Ladedrucksammler nun statisch 1 oder 2 bar anliegen, der Sensor gibt immer Vmssnull, also beispielsweise 2,5V aus. Liegt auf dem Ladedrucksignal eine Ladedruckschwingung von Pmaxpositiv zu Pmaxnegativ so wird unabhängig vom eingestellten statischen Ladedruck (also ob nun 1 oder 2 Bar) auch Vmessmax+ zu Vmessmax– ausgegeben. Ähnlich wie ein Differenzdrucksensor mit zwei Abgriffen an unterschiedlichen Messpositionen ist keine Ladedruckinformation mehr vorhanden. Im Prinzip wird eigentlich aus einem Absolutdrucksensor ein für den Ladedruck blinder Akustiksensor
8 zeigt eine zweite Ausführungsform des Ladedrucksensors 39. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich insbesondere dadurch von der ersten Ausführungsform, dass der Ladedrucksensor 39 einen weiteren, vierten Anschluss 44 aufweist. Die Funktion des Anschlusses 41 gemäß 8 entspricht der Funktion des Anschlusses 41 gemäß 7. Ferner entspricht die Funktion des Anschlusses 43 gemäß 8 der Funktion des Anschlusses 43 gemäß 7. Die Funktion des Anschlusses 42 gemäß 8 entspricht der Funktion des Anschlusses 42 gemäß 7. Die Funktion des Anschlusses 44 gemäß 8 entspricht der Funktion des Anschlusses 42 gemäß 6. Dies bedeutet, dass der Ladedrucksensor 39 gemäß der zweiten Ausführungsform den integrierten Hochpassfilter HP aufweist und somit über den Anschluss 42 das gefilterte Rohsignal in Form des Schwingungssignals bereitstellt. Über den Anschluss 44 kann der Ladedrucksensor 39 das Sensorsignal in einem Bereich von einschließlich 0,5 bis einschließlich 4,5 Volt bereitstellen, wobei dieses Sensorsignal den Hochpassfilter HP umgeht und somit nicht mittels des integrierten Hochpassfilters HP gefiltert wird. Die zweite Ausführungsform stellt somit eine Kombination der ersten Ausführungsform und des Absolutdrucksensors 40 gemäß 6 dar.
Somit kann der Ladedrucksensor 39 gemäß 8 zwei Aufgaben gleichzeitig erfüllen: Eine erste der Aufgaben besteht darin, den Ladedruck für die Motorsteuerung zu erfassen. Hierzu wird der Motorsteuerung das Sensorsignal zugeführt, welches der Ladedrucksensor 39 über den Anschluss 44 bereitstellt. Die zweite Aufgabe besteht darin, das Schwingungssignal für die Akustikerzeugung beziehungsweise Akustikgewinnung bereitzustellen, wobei der Ladedrucksensor 39 das Schwingungssignal zur Erzeugung des Geräuschs über den Anschluss 42 bereitstellt.
Der Abgriff M7 ist ein Bereich, in welchem der Ladedrucksensor 39 verbaut werden könnte. Ein Ladedrucksensor, insbesondere Absolutdrucksensor, mit integrierter Hochpassfilterung ist je nach Verbauort in dem Abgriff M7 unterschiedlich weit von den einzelnen Zylindern 3 entfernt. Wird der Ladedrucksensor 39 beispielsweise im Bereich des Abgriffs M6 und somit nahe des sechsten Zylinders F verbaut, dann sieht der Ladedrucksensor 39 die Druckschwingungen des sechsten Zylinders F sehr ausgeprägt. Schwingungen, die jedoch vom ersten Zylinder A verursacht werden, sieht der Ladedrucksensor 39 mit diesem Verbauort weniger ausgeprägt. Die Position beziehungsweise Anordnung des Ladedrucksensors 39 hat also einen sehr großen Einfluss auf die gewonnene Ladedruckakustik. Zudem fällt der Bereich, der sich nahe der Drosselklappe 18 beziehungsweise im Bereich der hohen Strömungsgeschwindigkeiten befindet, vorzugsweise weg. Hier äußert sich das Signal meist durch zusätzliche hohe Strömungsgeschwindigkeiten im gewonnenen Akustiksignal. Das gezeigte Beispiel am Sechs-Zylindermotor kann auch anders gestaltet sein. So kann die Luftzuführung vom Abgasturbolader 25 auch mittig am Luftsammler 12 erfolgen. In einem solchen Fall ist der Abgriff M7 im vorderen Bereich der Zylinder A, B sowie E und F vorteilhaft. Wie beschrieben ist eine solche Möglichkeit – das heißt eine Hochpassfilterung in den Ladedrucksensor 39 zu integrieren sowie dessen Verbauort – denkbar. Die Signalqualität hat sich als ausreichend gezeigt und ist deutlich besser als bei Verwendung eines herkömmlichen, ohnehin vorgesehenen Ladedrucksensors. 9 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung von Hauptdruckschwingungen mit Ausprägung des jeweiligen Zylinders 3, also weit entfernt vom Zylinder 3 mit geringer Signalamplitude.
Beispielsweise alternativ zu dem als Absolutdrucksensor ausgebildeten Ladedrucksensor 39 kann ein Relativdrucksensor mit genau einer Messzuführung verwendet werden. Absolutdrucksensoren und Relativdrucksensoren sind von der Konstruktion fast identisch. Beide haben eigentlich nur einen Abgriff. Der Unterschied besteht im Bezugsdruck.
Ein Relativdrucksensor ist ein Drucksensor, der die Relativdruckänderung, also den Druck im Vergleich zur Atmosphäre (atmosphärischer Luftdruck) als Referenzpunkt, misst. Schwankungen des Luftdruckes wirken sich dabei als Fehler auf das Messergebnis aus. Je größer der zu messende Bereich (Range) desto geringer ist der Fehler. Bei Druckmessungen im Bereich < 60 bar wird daher der Drucksensor offen gegenüber der Atmosphäre gestaltet. Dies geschieht z.B. durch eine Belüftung des verwendeten Steckers / Kabels am Drucksensor.
Der Absolutdrucksensor hat intern meist einen festen Vergleichswert. Beim Relativdrucksensor wir mit dem Umgebungsdruck außerhalb der Messumgebung (solch ein Sensor hat meist eine kleine Öffnung im Gehäuse) verglichen. Aus einem Relativdrucksensor wird ein Differenzdrucksensor wenn man die Referenz mit einem Abgriff ausstattet. Mit einem Relativdrucksensor lässt sich nur 7 realisieren. Eine Motorsteuerung kann bei einem Turbomotor nur mit einem Relativdrucksensor arbeiten wenn wie sie von einer anderen Stelle noch einen Wert für den Umgebungsdruck her bekommt.
Anhand von 11 und 12 wird im Folgenden eine zweite Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine 1 und der Vorrichtung beschrieben. Bei der zweiten Ausführungsform werden die Druckschwingungen mittels wenigstens eines Differenzdrucksensors erfasst, welcher somit die Druckschwingungen beispielsweise als Schwingungen einer Druckdifferenz zwischen wenigstens zwei voneinander beabstandeten Stellen in dem Einlasstrakt 6 erfasst.
Ein solcher Differenzdrucksensor ist in 11 und 12 besonders schematisch gezeigt und dort mit 45 bezeichnet. Der Differenzdrucksensor 45 wird beispielsweise über eine erste der Messzuführungen ein erster Druck zugeführt, welcher an einer ersten Stelle S1 im Einlasstrakt 6 herrscht. Ferner wird dem Differenzdrucksensor 45 beispielsweise über eine zweite der Messzuführungen ein zweiter Druck zugeführt, welcher an einer von der ersten Stelle S1 beabstandeten, zweiten Stelle S2 in dem Einlasstrakt 6 herrscht. Mittels des Differenzdrucksensors 45 werden die Druckschwingungen somit als Schwingungen einer Druckdifferenz zwischen den zwei voneinander beabstandeten Stellen S1 und S2 in dem Einlasstrakt 6 erfasst. Aus 11 ist erkennbar, dass die Stellen S1 und S2 vorzugsweise in dem Ladeluftsammler 12, insbesondere in der Kammer 13, angeordnet sein können.
In 11 und 12 ist die erste Messzuführung mit 46 bezeichnet, wobei die zweite Messzuführung mit 47 bezeichnet ist. Über die erste Messzuführung 46 ist der Differenzdrucksensor 45 fluidisch mit der ersten Stelle S1 verbunden, wobei der Differenzdrucksensor 45 über die zweite Messzuführung 47 fluidisch mit der zweiten Stelle S2 verbunden ist. 10 zeigt einen Bereich 48, in welchem die erste Stelle S1 beispielsweise angeordnet sein kann. Ferner zeigt 10 einen zweiten Bereich 49, in welchem beispielsweise die zweite Stelle S2 angeordnet sein kann.
Zu beachten ist, dass die Druckschwingungen bezogen auf die einzeln den Zylindern 3 unterschiedlichen Stellen im Einlasstrakt 6 unterschiedlich stark ausgeprägt sind. Vorzugsweise sind die Stellen S1 und S2 Messpunkte, an denen alle Zylinder 3 beziehungsweise die Druckschwingungen aller Zylinder 3 unterschiedlich stark ausgeprägt sind. Dadurch kann durch die Druckdifferenz ein besonders ausgewogenes Akustiksignal gewonnen werden, in welchem kein Zylinder 3 extrem dominant ausgeprägt ist. Gleichzeitig wird der Ladedruck eliminiert, da sich beide Stellen, welche auch als Messabgriffe bezeichnet werden, auf gleichem Ladedruckniveau befinden. Der Differenzdrucksensor 45 sieht dadurch den zumindest nahezu statischen Ladedruck nicht, da er praktisch mit dem Messsignal auf ihm schwebt. Eine interne Hochpassfilterung, das heißt ein in den Differenzdrucksensor 45 integrierter Hochpassfilter, ist möglich, kann jedoch entfallen. Eine Tiefpassfilterung, insbesondere interne Tiefpassfilterung, kann, muss aber nicht notwendigerweise umgesetzt werden.
Aus 9 ist die Zündreihenfolge der Verbrennungskraftmaschine 1 erkennbar. Die Zündreihenfolge ist: 1-5-3-6-2-4, das heißt A-E-C-F-B-D. Das heißt, dass sich der erste Zylinder A und der sechste Zylinder F, der zweite Zylinder B und der fünfte Zylinder E sowie der dritte Zylinder C und der vierte Zylinder D beim Sechs-Zylindermotor stets parallel zueinander bewegen. Diejenigen der Zylinder 3, die sich parallel zueinander bewegen, saugen jedoch 360 Grad Kurbelwinkel versetzt voneinander Luft an. Für die Differenzdruckgewinnung hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn man die Druckschwingungen zweier Zylinder 3 erfasst, die idealerweise von den Öffnungszeitpunkten weit auseinander und gleichzeitig geometrisch im Ladeluftsammler 12 ausgewogen liegen. Bei einem Sechs-Zylindermotor mit obiger Zündreihenfolge wären das idealerweise der zweite Zylinder B und der fünfte Zylinder E.
Jedoch wurde gefunden, dass der Differenzdrucksensor nicht nur Vorteile hat. Werden die Abgriffe ungünstig positioniert, dann löscht werden leicht die Hauptmotorordnungen ausgelöscht. Selbst bei einer günstigen Anordnung kann es unter bestimmten Bedingungen dazu kommen, dass diese extrem gedämpft oder wenig ausgeprägt sind. Der Differenzdrucksensor hat zwar ein hohes Potential bzgl. der Soundgestaltung, jedoch ist ein Absoltdrucksensor mit interer Hochpassfilterung bzgl. der Hauptmotorordungen immer noch vorzuziehen.
Der Differenzdrucksensor 45 gibt beispielsweise als Sensorsignal, insbesondere Schwingungssignal, eine Spannung, insbesondere elektrische Spannung, aus, welche um eine bestimmte Fix-Spannung schwingt. Dies ist somit ähnlich wie bei dem oben bereits beschriebenen Absolutdrucksensor mit integrierter Hochpassfilterung. Somit können bei diesem Sensortyp (Differenzdrucksensor) auch die bereits oben aufgezeigten Kennlinienumsetzungen genutzt werden, also beispielsweise eine Kennlinie mit linear ansteigender Verstärkung, oder eben eine Kennlinie mit gestufter oder gebogener abnehmender Verstärkung. Wird beispielsweise eine Verbrennungskraftmaschine mit zwei Ansaugkrümmern – beispielsweise ein V-Motor – verwendet, dann wäre denkbar, an jeder Sauganlage beziehungsweise an jedem Ansaugkrümmer einen Abgriff vorzunehmen. Bei der obigen Lösung mittels des Absolutdrucksensors mit integrierter Hochpassfilterung würden zwei separate Sensoren zum Einsatz kommen, deren Ausgangssignale beziehungsweise Sensorsignale (Schwingungssignal) in einer späteren Weiterverarbeitung zusammengeführt werden können. Insbesondere ist die Stelle S1 in einem ersten der Einlasskanäle 14 angeordnet, wobei die zweite Stelle S2 in einem von dem ersten Einlasskanal 14 unterschiedlichen, zweiten der Einlasskanäle 14 angeordnet ist.
Anhand von 13 und 14 wird eine dritte Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine 10 und somit des Verfahrens und der Vorrichtung beschrieben. Bei der dritten Ausführungsform kommt eine separat vom Ladeluftsammler 12 ausgebildete und zusätzlich zum Ladeluftsammler 12 vorgesehene Messleiste 54 zum Einsatz, welche ein Adapterelement ist. Die jeweilige Ausführungsform gemäß 13, 14, 15 und 16 kann sowohl für die Differenzdruckmessung als auch für eine Messung mittels Absolutdrucksensors mit interner Hochpassfilterung herangezogen werden. Bei der zweiten Messung benötigt die Messleiste 54 dann nur einen und nicht zwei Abgriffe. Die Messleiste 54 wird auch als Akustikmessleiste bezeichnet und weist wenigstens zwei Anschlüsse A1 und A2 auf, welche auch als Abgriffe bezeichnet werden. Beispielsweise ist der Differenzdrucksensor 45 über die erste Messzuführung 46 mit dem Anschluss A1 und somit mit der Messleiste 54 fluidisch verbindbar, wobei der Differenzdrucksensor 45 über die zweite Messzuführung 47 mit dem Anschluss A2 und somit mit der Messleiste 54 fluidisch verbunden ist. Die Messleiste 54 weist weitere Anschüsse B1, B2 und C1–6 auf, wobei die Messleiste 54 beispielsweise über die Anschlüsse C1–6 fluidisch mit dem Ladeluftsammler 12, insbesondere dessen Inneren, verbindbar beziehungsweise verbunden ist. Mit anderen Worten, die Messleiste 54 weist wenigstens drei Anschlüsse auf, wobei die Messleiste 54 über einen ersten der Anschlüsse und über einen zweiten der Anschlüsse fluidisch mit dem Differenzdrucksensor 45 verbunden beziehungsweise verbindbar ist. Der Differenzdrucksensor 45 weist ferner einen Steckeranschluss 55 auf, über welchen der Differenzdrucksensor 45 beispielsweise mit der Schaltung 50 elektrisch verbindbar beziehungsweise verbunden ist.
Beispielsweise handelt es sich bei dem ersten Anschluss um den Anschluss A1, wobei es sich bei dem zweiten Anschluss um den Anschluss A2 handelt. Über den dritten Anschluss ist die eine Längserstreckungsrichtung aufweisende Messleiste 45 mit dem Einlasstrakt 6, insbesondere mit dem Ladeluftsammler 12 und vorzugsweise mit dessen Inneren fluidisch verbindbar beziehungsweise verbunden, wobei die drei Anschlüsse fluidisch miteinander verbunden sind. Beispielsweise sind die Anschlüsse C1–6 jeweils ein solcher dritter Anschluss. Der Anschluss B1 ist an einem ersten Ende der Messleiste 54 angeordnet, wobei der Anschluss B2 an einem zweiten Ende der Messleiste 54 angeordnet ist. Beispielsweise über eine Kurzschlussleitung können die Anschlüsse B1 und B2 fluidisch miteinander verbunden werden, sodass dadurch die Enden der Messleiste 54 fluidisch verbunden werden können. Insbesondere ist es möglich, über die Anschlüsse B1 und B2 die beiden Enden der Messleiste 54 miteinander zu verbinden, insbesondere über unterschiedliche Querschnitte.
Vorliegend ist die Messleiste 54 über den Anschluss C1 mit dem Einlasskanal 14 des ersten Zylinders A, über den Anschluss C2 mit dem Einlasskanal 14 des zweiten Zylinders B, über den Anschluss C3 mit dem Einlasskanal 14 des dritten Zylinders C, über den Anschluss C4 mit dem Einlasskanal 14 des vierten Zylinders D, über den Anschluss C5 mit dem Einlasskanal 14 des fünften Zylinders E und über den Anschluss C6 mit dem Einlasskanal 14 des Zylinders F fluidisch verbunden.
In 14 sind ferner Bereiche D1 und D2 veranschaulicht, wobei der Anschluss A1 im Bereich D1 und der Anschluss A2 im Bereich D2 angeordnet werden beziehungsweise angeordnet sein können. Dadurch sind unterschiedliche Akustiken und somit Soundkreationen umsetzbar. Die Verbindung des Anschlusses B1 mit dem Anschluss B2 kann nochmals eine zusätzliche Variationsmöglichkeit bringen. Der erste Zylinder A wird damit mit dem sechsten Zylinder F bezüglich des Druckausgleichs in der ein Messrohr darstellenden Messleiste 54 nähergebracht. Die Anschlüsse B1 und B2 können auch entfallen. Bei der Messleiste 54 handelt es sich um einen Adapter zur Druckschwingungsabnahme nahe der Einlasskanäle 14 beziehungsweise in den Einlasskanälen 14 oder gar nahe der Einlasskanäle 4 beziehungsweise in den Einlasskanälen 4. Mit anderen Worten ist es möglich, den Ladedruck beziehungsweise die Druckschwingungen mittels der Messleiste 54 besonders nahe an den Einlassventilen 11 zu erfassen. Die Messleiste 54 kann beispielsweise direkt in die Luftkammer 12 integriert sein und/oder in unterschiedlichen Ausführungen vorgehalten werden. Insbesondere ist es denkbar, die Messleiste 54 als Element zwischen dem Ladeluftsammler 12 und dem Zylinderkopf 5 anzuordnen. Dabei ist die Messleiste 54 als separat vom Zylinderkopf 5 ausgebildetes und zusätzlich vorgesehenes Bauteil ausgebildet. Die Druckschwingungen, die beim Öffnen der jeweiligen Einlassventile 12 auftreten, sind direkt vor den Zylindern 3 am deutlichsten ausgeprägt. Mittels des die zwei Messzuführungen 46 und 47 aufweisenden Differenzdrucksensors 45 kann nicht ohne Weiteres besonders nahe an den Einlassventilen 11 beziehungsweise den Zylindern 3 die Druckschwingungen erfasst werden. Die Messleiste 54 jedoch, insbesondere der dritte Anschluss beziehungsweise die Anschlüsse C1–6, können besonders nahe an den Einlassventilen 11 angeordnet werden, sodass mittels des Differenzdrucksensors 45 über die Anschlüsse A1 und A2 und über die Anschlüsse C1–6, das heißt unter Vermittlung der Messleiste 54 die Druckschwingungen besonders nahe an den Einlassventilen 12 und somit vorteilhaft erfasst werden können. Es wurde gefunden, dass die Erfassung beziehungsweise der Abgriff über die Messleiste 54 einen besonders vorteilhaften Eingangspegel mit sich bringt. Zudem weist die Messleiste 54 einen die Längserstreckungsrichtung aufweisenden Grundkörper 56 auf, welcher ein Volumen 57 begrenzt, mit welchem die Anschlüsse C1–6 und A1 und A2 verbunden sind. Die Anschlüsse C1–6 und die Anschlüsse A1 und A2, das heißt die wenigstens drei Anschlüsse, verlaufen zumindest im Wesentlichen schräg oder senkrecht zur Längserstreckungsrichtung, sodass die Anschlüsse A1 und A2 über das Volumen 57 fluidisch mit dem wenigstens einen dritten Anschluss (Anschluss C1–6) verbunden sind. Der Grundkörper 56 stellt ein Messrohr dar, in welchem kein Messrauschen oder nur ein geringes Messrauschen vorhanden ist. Insbesondere ist im Messrohr ein wesentlich geringeres Messrauschen als direkt vor der Drosselklappe 18 vorhanden. Dies gilt insbesondere auch an zentralen Abgriffspositionen.
15 zeigt eine vierte Ausführungsform, bei welcher die separat vom Ladeluftsammler 12 ausgebildete Messleiste 54 am Ladeluftsammler 12 gehalten ist. Dabei ragen die Anschlüsse C1–6 in die jeweiligen Einlasskanäle 14 des Ladeluftsammlers 12 ein.
16 zeigt eine fünfte Ausführungsform, bei welcher die Messleiste 54 beispielsweise zwischen dem Zylinderkopf 5 und dem Ladeluftsammler 12 angeordnet ist. Bei der vierten Ausführungsform ist die Messleiste 54 unter Vermittlung des Ladeluftsammlers 12 am Zylinderkopf 12 gehalten. Bei der fünften Ausführungsform hingegen ist beispielsweise die Messleiste 54 unabhängig vom Ladeluftsammler 12 am Zylinderkopf 5 gehalten. Bei der fünften Ausführungsform ragen die Anschlüsse C1–6 sogar in die durch den Zylinderkopf 5 gebildeten, jeweiligen Einlasskanäle 4.
Darüber hinaus sind aus 16 jeweilige Nockenwellen 58 und 59 erkennbar, wobei die Nockenwelle 59 eine Einlassnockenwelle ist, mittels welcher die Einlassventile 11 geöffnet werden. Die Nockenwelle 58 ist eine Auslassnockenwelle, mittels welcher die Auslassventile 36 geöffnet werden.
Insgesamt ergeben sich folgende Vorteile: Mit Hilfe des Ladedrucksensors 39 mit der internen Hochpassfilterung kann ein besonders hoher Signal-/Rauschabstand generiert werden, da die Kennlinie auf die maximal gemessene Schwingungsamplitude ausgelegt werden kann. Mittels des integrierten Hochpassfilters kann eine interne Filterung in Form einer Hochpassfilterung realisiert werden. Ferner ist es möglich, die Verstärkungscharakteristik, insbesondere durch die Kennlinie, individuell anzupassen. Dadurch ist eine lineare Verstärkung ebenso möglich wie eine nicht-lineare Verstärkung. Für geringe Druckschwingungen können mittels Kennlinienanpassung so stärkere Verstärkungslinien eingesetzt werden, die sich zu besonders großen Druckschwingungen abschwächen lassen. In den oberen Schwingungsamplituden kann die Verstärkung durch diese interne Hochpassfilterung sogar gegen 0 verlaufen. An dieser Stelle sei erwähnt, dass die interne Filterung hat keinen Einfluss auf die Verstärkungscharakteristik, sondern auf die Klangcharakteristik hat. Die Verstärkungscharakteristik ist abhängig von der Kennlinie des Sensors.
17 zeigt in einem Diagramm einen Ausschnitt aus einem Motorhochlauf, bei welchem die Druckschwingungen im Einlasstrakt 6, insbesondere im Ladeluftsammler 12, mittels eines herkömmlichen, als Absolutdrucksensor ausgebildeten Ladedrucksensors sowie mittels eines Differenzdrucksensors wie beispielsweise dem Differenzdrucksensor 45 gemessen wurden. Dabei veranschaulicht ein Verlauf 60 die mittels des Differenzdrucksensors erfassten Druckschwingungen, während ein Verlauf 61 die mittels des herkömmlichen Ladedrucksensors gemessenen Druckschwingungen veranschaulicht. Dieser Ladedrucksensor ist dabei beispielsweise der oben beschriebene Ladedrucksensor mit interner Hochpassfilterung und erweiterter Ausgabekennlinie. Mit Absolutdrucksensor incl. Hochpassfilterung und angepasster Kennlinie wäre das Signal ähnlich gut ausgeprägt
Aus 17 ist erkennbar, dass der Verlauf 60 wesentlich ausgeprägter als der Verlauf 61 ist beziehungsweise größere Amplituden aufweist, sodass das Geräusch besonders vorteilhaft erzeugt werden kann. In diesem Beispiel wurde ein Betriebspunkt gewählt, bei dem der Verlauf 61 überhaupt erkennbar ist. Es gibt Betriebspunkte, bei denen Verlauf 61 kaum noch bewertbar und der Verlauf noch genauso intensiv wie im Beispiel ausgeprägt ist.
Die Vorrichtung bringt auch eine Kombinationsmöglichkeit zur Ladedruckerfassung und Akustiksignalerfassung mit sich, wenn beispielsweise zusätzlich zu dem Anschluss 42 der Anschluss 44 vorgesehen wird, sodass über den Anschluss 44 (Pin) der herkömmliche Ladedruck und über den Anschluss 42 das hochpassgefilterte Schwingungssignal beziehungsweise Akustiksignal ausgegeben werden kann.
Die Erfassung der Druckschwingungen mittels des Differenzdrucksensors 45 ermöglicht eine weitere Gestaltung des gewonnenen Akustiksignals. Während ein hochpassgefiltertes Absolut- beziehungsweise Relativdrucksignal stets den naheliegenden Zylinder am deutlichsten ausgeprägt sieht, so kann dies mittels der Differenzdruckmessung etwas ausgeglichen werden. Hier lässt sich auch das gewonnene Akustiksignal freier gestalten, weil man durch die zwei unterschiedlichen Abgriffe deutlich mehr Signalgestaltungsmöglichkeiten hat. Auch das im Sensor gewonnene Signal kann bei entsprechender Sensorgestaltung deutlich besser sein.
Während ein Absolutdrucksensor mit interner Hochpassfilterung stets für den maximalen Druck ausgelegt werden muss, kann ein Differenzdrucksensor intern sehr viel sensibler gestaltet werden. Da er durch die zwei Abgriffe praktisch auf dem Ladedruck schwebt, sieht dieser die maximalen Druckamplituden im Ladedruckrohr nicht. Im Prinzip kann man sich dies wie folgt vorstellen: Der normale Ladedrucksensor hat eine Messmembrane, die einseitig dem Ladedruck ausgesetzt ist. Je höher die maximal auftretenden Ladedruckschwingungen sind, die eine solche Membrane aushalten muss, desto unsensibler wird die Membrane. Selbst durch die interne Hochpassfilterung sieht die Membrane den gesamten Druckbereich. Von dem vermessenen Wert wird durch die Hochpassfilterung und Kennlinie jedoch nur ein kleiner Teil ausgegeben. Also ein kleiner Teil des gemessenen Signals wird gefiltert und verstärkt ausgegeben. Für die Übertragung an die auswertende Elektronik (Schaltung 50) hat das Signal zwar so eine deutlich bessere Qualität, jedoch kann der Informationsinhalt durch die steif ausgelegte Messmembrane schlechter sein.
Ein Differenzdrucksensor kann auf zweierlei Weise gestaltet sein. Er kann intern zwei ganz normale Absolutdrucksensoren enthalten, die dann intern verglichen werden. In diesem Fall wird das Signal nicht unbedingt besser gegenüber einem hochpassgefilterten Absolutdrucksensor sein. Ein Differenzdrucksensor kann intern jedoch auch anders konstruiert werden. Dabei drückt beispielsweise der jeweils, an der jeweiligen Stelle abgegriffen Druck auf eine jeweilige Seite der Messmembrane, sodass diese auf gegenüberliegenden Seiten von den jeweilig erfassten Drücken beaufschlagt wird. In diesem Fall müsste die Messmembrane nicht für den maximal auftretenden Ladedruck, sondern nur für die maximal auftretende Schwingungsamplitude ausgelegt werden. Die Messmembrane wäre dadurch deutlich sensibler und der gewonnene Informationsgehalt deutlich ausgeprägter.
Die Verbindung der obigen Sensorsysteme mit einer Messleiste ermöglicht weitere Potentiale zur Signalgestaltung und Signalgütesteigerung. Die Messleiste kann zudem als Nachrüstlösung gestaltet werden.
Bezüglich der Kosten wäre vermutlich eine Kombination von Ladedrucksensorik mit zusätzlicher Akustikausgabe die kostengünstigste Variante. Diese oben beschriebenen Basis-Sensoren sind in der Automobiltechnik bereits günstig verfügbar. Sie werden in diesem Beispiel wie Mikrofone verwendet, jedoch zu einem Bruchteil der Kosten. Aktuell verwendete Ladedrucksensoren lassen sich günstig beschaffen. Mikrofone, die für diese Anwendung entwickelt werden müssten, wären wahrscheinlich deutlich kostenintensiver.
Die Messleiste 54 kann kostengünstig beschafft und hergestellt werden. Mittels der Messleiste ist es möglich, ohne die Sauganlage beziehungsweise den Einlasstrakt 6 zu verändern, individuell nach Geräusch- beziehungsweise Soundwunsch unterschiedliche Abgriffe vorzuhalten. So könnte mit dem gleichen Motor, der in unterschiedlichen Fahrzeugen verbaut wird, ein unterschiedlicher Basissound bereitgestellt werden. Dies ist lediglich durch den Einsatz der Messleiste 54 darstellbar, da durch den Einsatz der Messleiste die Abgrifforte beziehungsweise die Stellen einfach variiert werden können.
Beispielsweise kann die Messleiste 54 im After Sale-Bereich genutzt werden. Wird die Messleiste 54 entsprechend schmal gestaltet, so kann sie bauraumgünstig ausgestaltet und im Motorraum angeordnet werden, sodass sie sich als Nachrüstlösung eignet. Insgesamt kann das Geräusch mittels robuster Komponenten realisiert werden, sodass die Vorrichtung eine hohe Robustheit aufweist. Darüber hinaus kann die Vorrichtung besonders gewichtsgünstig ausgestaltet werden.
Vor allem ist erkennbar, dass der Verbauort, das heißt die Stelle, an welcher mittels des jeweiligen Sensors die Druckschwingungen erfasst werden, wichtig für das zu gewinnende Akustiksignal beziehungsweise Ansteuersignal ist. Vorzugsweise wird der Drucksensor (Ladedrucksensor 39 beziehungsweise Differenzdrucksensor 45), das heißt der Abgriff nach der Drosselklappe 18 angeordnet, jedoch nicht im direkten Bereich des Luftmassenstroms, da hohe Strömungsgeschwindigkeiten hochfrequente Luftschwingungen und somit Störungen erzeugen können. Als vorteilhaft haben sich Abgrifforte beziehungsweise Stellen gezeigt, die in einem Bereich außerhalb des Hauptmassenstroms liegen. Je nach Abgriffsstelle klingt die gewonnene Akustik beziehungsweise das erzeugte Geräusch unterschiedlich. Dies liegt insbesondere an unterschiedlichen Laufzeiten der Luftschwingungen beziehungsweise Druckschwingungen und an der ausgeprägten Amplitude an dem jeweiligen Abgriff. Messungen zeigen, dass eine unsymmetrische Position zu den Einlassführungen eine sportliche Akustik mit sich bringt.
Wird beispielsweise ein ohnehin vorgesehener Ladedrucksensor wie beispielsweise der Ladedrucksensor 34 oder der Ladedrucksensor 35 zum Erfassen der Druckschwingungen genutzt, wobei der ohnehin vorgesehene Ladedrucksensor beispielsweise auch die Motorsteuerung mit Signalen versorgt, genutzt, so wird beispielsweise das von diesem Ladedrucksensor bereitgestellte Signal abgegriffen. Aus dem abgegriffenen Signal kann dann das Akustiksignal erzeugt werden. Dies kann beispielsweise in einer Serienlösung direkt in einen Kabelbaum 52 integriert erfolgen oder als After Sale- beziehungsweise Nachrüstlösung wie bei einem Kabeladapter vorgesehen sein, über welchen das vom Ladedrucksensor bereitgestellte Signal abgezweigt und zur Schaltung 50 geführt wird. Das Signal wird nach der Aufbereitung und über eine Leistungseinheit an den Aktor 38 weitergegeben. Der Aktor 38 kann überall im Bereich der Sauganlage vor dem Verdichter 15 angeordnet werden. Idealerweise ist der Aktor 38 an einer Stelle angeordnet, an der ideale Bedingungen vorgefunden werden. Beispielsweise findet man am Luftfilterkasten 9 Flächen und Volumen, die wie ein Resonanzkörper wirken und somit die durch den Aktor 38 bewirkten Anregungen in eine hörbare und stimmige Akustik beziehungsweise in ein hörbares und stimmiges Geräusch umwandeln können. Idealerweise wird bei der Konstruktion des Ladeluftsammlers 12 sein akustisches Verhalten berücksichtigt. Zum Beispiel können Wandstärken oder große Flächen mit entsprechendem Schwingverhalten den Wirkungsgrad des Shakers (Aktors 38) unterstützen. Denkbar wäre auch der Einsatz eines separaten Volumens als Resonanzkörper an der Sauganlage vor dem Luftfilterkasten 9. Über den Kabelbaum 52 sind die Motorsteuerung (Steuergerät 51), der Ladedrucksensor 39 und die Schaltung 50 miteinander verbunden. Ferner ist ein Kabelbaum 53 vorgesehen, über welchen die Schaltung 50 mit dem Aktor 38 verbunden ist.
Sollte es nicht erforderlich sein, dass das auf die beschriebene Weise erzeugte Geräusch direkt aus der Ansaugmündung 7 kommt, dann wäre auch eine Anbringung des Aktors 38 an anderen Stellen denkbar. Auch eine Weiterverwendung der Sensorinformation für eine weitere Nutzung ist denkbar. Dabei ist beispielsweise eine digitale Bearbeitung des Signals denkbar. Mit anderen Worten, wird der Aktor 38 an dem Einlasstrakt 6, insbesondere an einer stromauf des Verdichters 15 angeordneten Stelle, angeordnet, so kann das mittels des Aktors 38 erzeugte Geräusch über die Ansaugmündung 7 ins Freie treten, sodass das Geräusch sowohl vom Fahrer des Kraftfahrzeugs als auch von sich in der Umgebung des Kraftfahrzeugs aufhaltenden Personen akustisch wahrgenommen werden kann. Ist das Austreten des Geräuschs aus der Ansaugmündung 7 nicht erforderlich, so kann der Aktor 38 an anderen Stellen angeordnet werden. Beispielsweise ist es denkbar, den Aktor 38 an einer Frontschürze, an einem Radkasten oder an einer Motorhaube des Kraftfahrzeugs anzuordnen. Selbst eine Kombination von zwei oder mehreren Aktoren, insbesondere Shakern, ist denkbar. Mit Hilfe einer entsprechenden Endstufe könnte ein besonders großer Aktor 38, insbesondere Shaker, an die Sauganlage ein Ansauggeräusch imitieren und ein kleinerer Shaker beispielsweise an der Fahrzeugstirnwand könnte die Akustik im Fahrzeuginnenraum beeinflussen.
Dieses einfache System lässt sich relativ unauffällig am Turbomotor integrieren, ohne dass das System beziehungsweise die Vorrichtung sofort auffällt, wenn das Kraftfahrzeug betrachtet wird. Sogar eine Nachrüstlösung wäre denkbar. Eine solche Nachrüstlösung sieht die Vorrichtung beispielsweise als Nachrüst-Lösung vor, wobei dann die Vorrichtung eine Box mit einer die Schaltung 50 umfassenden Elektronik umfasst. Diese Box könnte an einer geeigneten Stelle verbaut werden. Ein Zwischenabgriff, um der Elektronik beziehungsweise der Schaltung 50 das vom Ladedrucksensor 39 beziehungsweise dem Drucksensor bereitgestellte Signal, insbesondere Schwingungssignal, zuzuführen, kann über einen Adapter erfolgen, über welchen die Vorrichtung mit dem Ladedrucksensor 39 (Drucksensor) verbunden wird. Beispielsweise ist es denkbar, dass der Aktor 38 fest in den Ladeluftsammler 12 integriert ist. Dann werden beispielsweise der vorgesehene Ladeluftsammler 12 und die Vorrichtung gegen den Sammler mit der Vorrichtung ausgetauscht. Ferner ist es denkbar, die Vorrichtung beziehungsweise das System in einen Deckel des Ladeluftsammlers 12 zu integrieren, sodass dann der Deckel ohne die Vorrichtung gegen einen Deckel mit der Vorrichtung ausgetauscht werden kann, sodass dann die bereits bestehenden Verbrennungskraftmaschinen mit der Vorrichtung ergänzt werden können. Somit ist es möglich, den Aktor 38 unsichtbar zu verbauen. Dann ist es vorteilhaft, den Deckel aus hochfesten, aber dünnen Materialien wie beispielsweise faserverstärkten Kunststoffen, insbesondere kohlefaserverstärkten Kunststoffen, herzustellen.
Ferner ist die Anwendung bei einem V-Motor mit zwei voneinander getrennten Ladeluftführungen denkbar. Bei getrennten Ladeluftführungen, wobei beispielsweise zwei Ladedrucksensoren beziehungsweise Drucksensoren zum Einsatz kommen, können zwei einfache Einzelsysteme mit jeweils wenigstens einem Aktor 38 zum Einsatz kommen. Ferner sind eine Zusammenführung von zwei vorab gefilterten Ladedrucksignalen zu einem Signal und dann eine Ausgabe über den Verstärker auf einen, zwei oder mehrere Aktoren denkbar.
Beispielsweise ist es möglich, dass die Verbrennungskraftmaschine 1 einen variablen Ventiltrieb aufweist, mittels welchem der Hub der Einlassventile 11 variabel einstellbar ist, insbesondere variabel geregelt werden kann. Ähnlich wie die Drosselklappe 18 kann durch die in den Zylinder 3 einströmende Menge der Luft eingestellt, insbesondere geregelt, werden. Dies hat Einfluss auf die Druckschwingungen, die von dem Drucksensor gemessen werden. Das nutzbare Signal ist dadurch eventuell in bestimmten Betriebszustanden zu gering und müsste erheblich mehr verstärkt werden, als es der aus dem Ladedruck abgeleitete Verstärkungsfaktor erlaubt.
Auch bestimmte Betriebszustände wie Lagerpumpen etc. können sich negativ auf den Wechselanteil des Drucksignals auswirken. Der Drucksensor würde beispielsweise beim Laderpumpen den vollen Verstärkungsfaktor sehen und gleichzeitig ein Akustiksignal messen mit ungewünschten Oberwellen. Im erzeugten Ansauggeräusch würden dann genau die Ladergeräusche verstärkt, die eigentlich vermieden werden sollen.
Speziell bei geringen Drehzahlen und/oder Geschwindigkeiten und geringer Last kann sich die Ventilhubverstellung negativ auf das gewonnene Akustiksignal auswirken. Der Unterschied in der Amplitude des gewonnenen Akustiksignals wird durch den variablen Ventiltrieb sehr groß. Bei normaler Fahrweise, also bei Geschwindigkeiten unter 60 Kilometer pro Stunde mit geringer Last, wobei der Ventiltrieb einen Minimalhub eingestellt hat, steht also ein sehr geringes Akustiksignal zur Verfügung. In diesen Bereichen kann zwar ein Pegel gewonnen werden, aber dieser ist sehr gering ausgeprägt. Weil in diesen Betriebszuständen so gut wie kein Ladedruck anliegt, wird es auch nicht hinreichend verstärkt. Gleiches gilt für den Schubbetrieb. Sobald das Kraftfahrzeug in den Schubbetrieb geht, wird wieder der Ventilhub auf ein Minimum gestellt. Auch in diesem Betriebszustand gibt es wenig an nutzbaren Schwingungspegeln. Das als Führungsgröße notwendige Ladedrucksignal ist dann ebenfalls gering.
Auch für die Außengeräuschzulassung werden genau definierte beschleunigte Vorbeifahrtsmessungen absolviert. Da es sich bei diesen Messungen um Volllastbeschleunigungen handelt, liegt vermutlich am Drucksensor der höchste Ladedruck an. Dies würde für das Ansauggeräusch die maximale Lautstärke bedeuten. Kommen diese dann ungünstig zu den bereits vorhandenen Abgasmündungs- sowie Abrollgeräuschen vom Fahrzeug, dann kann dies eventuell zu einem übermäßig lauten Geräusch führen. Ohne eine zusätzliche Führungsgröße müsste dann das gesamte System angepasst werden.
Daher ist der Einsatz wenigstens einer weiteren Führungsgröße sinnvoll, mit deren Hilfe Einfluss auf das genutzte Verstärkungssignal genommen werden kann. Ist zum Beispiel der Ventilhub auf ein Minimum gestellt und wenig Ladedruck vorhanden, so wird im Normalfall kaum ein hörbares Signal erzeugt. Dies kann zum Beispiel im Fahrzeugstillstand der Fall sein, wenn der Fahrer Gasstöße gibt. Hier könnte mit Hilfe einer externen Verstärkung, die unabhängig vom Ladedruck fungiert, gezielt Einfluss genommen werden. Gleiches gilt für den Schubbetrieb. Beim reinen Leerlauf im Stand oder bei Konstantfahrten könnte wiederum die Verstärkung komplett gegen 0 gefahren werden.
Realisiert werden kann dies durch wenigstens eine zusätzliche Führungsgröße, welche die oben genannte Führungsgröße in Form des Ladedrucks beziehungsweise des Gleichanteils beeinflusst oder komplett übernimmt. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, das Akustiksignal, das heißt den Wechselanteil in Abhängigkeit von dem Gleichanteil sowie in Abhängigkeit von der weiteren Führungsgröße oder lediglich in Abhängigkeit von der weiteren Führungsgröße zu beeinflussen.
Diese zusätzliche, weitere Führungsgröße könnte die Motorsteuerung zur Verfügung stellen. Der Motorsteuerung werden sämtliche Informationen zugeführt, die für eine genaue Pegelvorgabe, das heißt für eine genaue Einstellung der Lautstärke des zu erzeugenden Geräuschs erforderlich sind. Zum Beispiel ist der Motorsteuerung stets der aktuelle Fahrzustand des Kraftfahrzeugs bekannt. Insbesondere sind der Motorsteuerung die aktuelle Geschwindigkeit, der aktuelle Gang, der aktuelle Ladedruck und/oder die tatsächlich abgerufene Last über das berechnete Drehmoment bekannt. Auch der aktuelle Hub wie bei einer variablen Ventilhubverstellung ist der Motorsteuerung bekannt. Ebenso ist der Motorsteuerung bekannt, wenn sich der variable Ventiltrieb in einem eventuellen Notlauf befindet, in welchem der Hub maximal eingestellt ist (Vollhub). Entsprechend könnte die Motorsteuerung alle Betriebsbedingungen in einer Funktion mit einbeziehen oder die Führungsgröße für den Pegel des erzeugten Ansauggeräuschs bedarfsgerecht, besonders fein und emotional gestalten. Die Signalübertragung, insbesondere der Führungsgröße, kann mittels einer separaten Signalleitung (PWM – Pulsweitenmodulation mit späterer Wandlung in ein analoges Signal oder direkt mit einem analogen Signal) an die Akustikerzeugung (direkt in die Analog-Multiplexereinheit) erfolgen.
In der Schaltung 50 ist beispielsweise ein Mikrocontroller (µ-Controller beziehungsweise µC) verbaut, welcher die CAN-Bus-Kopplung übernimmt und die Führungsgröße an den Analog-Multiplexer übernimmt. Zudem haben sämtliche Filter einen weiteren Eingang, wobei die Filter zu Mitlauf-Filtern werden können. Denkbar wäre auch ein CAN-Signal (CAN – Controller Area Network), welches über alle Baugruppen im Kraftfahrzeug reserviert und vorab bedatet wird. Wird beispielsweise ein Baukastensystem zur Realisierung unterschiedlicher Bauvarianten der Verbrennungskraftmaschine 1 eingesetzt, so kann bei gleichen Motoren und Leistungsdaten ein etwa abschätzbares Führungssignal appliziert werden. Auch eine separate Applikation, insbesondere bei Ländercodierungen, wäre somit möglich.
Denkbare Größen, die in der Motorsteuerung vorhanden und zur Realisierung des weiteren Führungssignals beziehungsweise der weiteren Führungsgröße genutzt werden könnten, sind zum Beispiel:

– Ladedruck vor der Drosselklappe 18
– Ladedruck nach der Drosselklappe 18
– Drosselklappenstellung
– Ventilhub, welcher mittels des variablen Ventiltriebs eingestellt ist
– Steuerzeiten der Gaswechselventile auf der Ein- und Auslassseite, insbesondere Winkel und/oder Spreizung von Ein- und Auslassseite
– Luftmasse
– Temperatur nach dem Ladeluftkühler 19
– Betriebszustände wie Einzelzylinderausblendung oder Schubrubbelfunktionen
– Drehmoment
– Fahrpedalstellung
– Gang
– Drehzahl
– Geschwindigkeit
– Abgasklappenstellung (Zustand der Abgasklappe auf/zu)
– Statusbetriebszustand Kat heizen
– Fahrmodi (Komfort, Sport, Sport+, etc.)
– Modus des elektronischen Stabilitätsprogramms
– Gangwahlhebel (manuell oder Automatikmodus)
– Getriebemodus (Schaltgeschwindigkeit)

Anhand dieser Signale kann in der Motorsteuerung die Führungsgröße über den CAN-Bus an die Schaltung 50 zur Akustikumsetzung weitergegeben werden. Durch den CAN-Bus könnten weitere Größen an die Schaltung 50 gesendet werden, welche die Signalgestaltung verbessern können. Dies können zum Beispiel Führungsgrößen sein, um mitlaufende Filter zu triggern. Solche mitlaufenden Filter können ebenfalls analog und somit echtzeitfähig umgesetzt werden.
Mittels der weiteren Führungsgröße wird somit die Lautstärke des zu erzeugenden Geräuschs eingestellt. Vorliegend wurde ein analoges System beziehungsweise eine analoge Vorrichtung aufgezeigt, also Einheiten, die aus diskreten analogen Bausteinen bestehen. Bei diesen Bausteinen handelt es sich beispielsweise um Widerstände, Kondensatoren, Operationsverstärker, Leistungsverstärker etc. Diese analogen Bausteine beziehungsweise Bauteile würden grundsätzlich ausreichen. Ein integrierter Baustein, beispielsweise ein kleiner schneller Controller, ein kleiner DSP (digitaler Signal-Prozessor) oder eine Kombination aus diesen Bausteinen ist natürlich ebenfalls möglich, insbesondere, solange diese intern nur mitlaufende Filter verwenden und nicht zuvor das gesamte Drucksignal digital zerlegen, um dadurch die Echtzeitumsetzung zu erhalten.
Mittels des beschriebenen Verfahrens kann das Geräusch als Ansauggeräusch erzeugt werden. Ferner ist es alternativ oder zusätzlich denkbar, wenigstes ein anderes Geräusch zu realisieren. Beispielsweise kann der Aktor 38 an einer den Innenraum des Kraftfahrzeugs in Fahrzeuglängsrichtung, insbesondere nach vorne, begrenzenden Stirnwand angeordnet werden. Ferner ist die Nutzung des Akustiksignals als Führungsgröße zur Akustikgestaltung im Innenraum denkbar. Dadurch wäre es möglich, einen kurbelwellensynchronen Akustikverlauf zu gestalten.
Insgesamt lässt sich eine einfache und kostengünstige Geräuscherzeugung, insbesondere Ansauggeräuscheerzeugung, für Kraftfahrzeuge insbesondere mit Turbomotoren realisieren. Im einfachsten Fall wird ein bereits vorhandenes Sensorsignal in Form des Ladungssignals abgegriffen. Eine relativ einfache Schaltung verarbeitet die echten Ladedruckschwingungen in ein Akustiksignal und verstärkt sie mittels eines einfachen integrierten Verstärkers für einen Aktor. Der Aktor 38 ist beispielsweise als Shaker ausgebildet und kann als Nachrüstlösung nachträglich verbaut oder als Serienteil verbaut werden. Auch der Einsatz eines Lautsprechers wäre denkbar. Ein Turbomotor könnte damit ein Ansauggeräusch mit der Emotionalität eines Saugmotors gewinnen. Selbst eine vorteilhafte Akustikerzeugung im Innenraum des Kraftfahrzeugs ist möglich. Die Verbrennungskraftmaschine 1 und somit das Kraftfahrzeug insgesamt klingen somit besonders wertig, emotional und sportlich, wobei minderwertig klingende mechanische Geräusche überdeckt werden können.
Bezugszeichenliste

1: Verbrennungskraftmaschine
2: Zylindergehäuse
3: Zylinder
4: Einlasskanal
5: Zylinderkopf
6: Einlasstrakt
7: Ansaugmündung
8: Luftfilter
9: Luftfilterkasten
10: Luftfiltermatte
11: Einlassventil
12: Ladeluftsammler
13: Kammer
14: Einlasskanal
15: Verdichter
16: Verdichtergehäuse
17: Verdichterrad
18: Drosselklappe
19: Ladeluftkühler
20: Abgastrakt
21: Krümmer
22: Katalysator
23: Schalldämpfer
24: Abgasrohrmündung
25: Abgasturbolader
26: Turbine
27: Turbinengehäuse
28: Turbinenrad
29: Welle
30: Umgehungseinrichtung
31: Umgehungskanal
32: Ventilelement
33: Ladedruckseite
34: Ladedrucksensor
35: Ladedrucksensor
36: Auslassventil
37: Auslasskanal
38: Aktor
39: Ladedrucksensor
40: Absolutdrucksensor
41: Anschluss
42: Anschluss
43: Anschluss
44: Anschluss
45: Differenzdrucksensor
46: Messzuführung
47: Messzuführung
48: Bereich
49: Bereich
50: Schaltung
51: Steuergerät
52: Kabelbaum
53: Kabelbaum
54: Messleiste
55: Steckeranschluss
56: Grundkörper
57: Volumen
58: Nockenwelle
59: Nockenwelle
60: Verlauf
61: Verlauf
62: Kolben
63: Zündkerze
A: erster Zylinder
A1: Anschluss
A2: Anschluss
B: zweiter Zylinder
B1: Anschluss
B2: Anschluss
BE: Bereich
C: dritter Zylinder
C1–6: Anschluss
D: vierter Zylinder
D1: Bereich
D2: Bereich
E: fünfter Zylinder
F: sechster Zylinder
HP: Hochpassfilter
M1–8: Abgriff
S1: Stelle
S2: Stelle
P1: Druck
P2: Druck
P4: Druck
P5: Druck

Claims

Verfahren zum Erzeugen eines Geräusches, welches einen Betrieb einer eine von einem gasförmigen Medium durchströmbare Anlage (6) aufweisenden Verbrennungskraftmaschine (1) eines Kraftfahrzeugs charakterisiert, mit den Schritten: • Erfassen von Druckschwingungen in der Anlage (6) mittels wenigstens eines Drucksensors (39, 45), welcher wenigstens ein die erfassten Druckschwingungen charakterisierendes Schwingungssignal bereitstellt; • Bestimmen eines Wechselanteils des Schwingungssignals; • Erzeugen wenigstens eines Ansteuersignals derart, dass eine Frequenz des Ansteuersignals in Abhängigkeit von dem Wechselanteil bestimmt wird; und • Ansteuern wenigstens eines Aktors (38) in Abhängigkeit von dem Ansteuersignal, um dadurch mittels des Aktors (38) das Geräusch zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels wenigstens eines Sensorelements des Drucksensors (39, 45) die Druckschwingungen erfasst werden und wenigstens ein die mittels des Sensorelements erfassten Druckschwingungen charakterisierendes Rohsignal bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (39, 45) einen integrierten Hochpassfilter (HP) aufweist, mittels welchem das Rohsignal gefiltert wird, wodurch aus dem Rohsignal das Schwingungssignal erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (39, 45) einen integrierten Tiefpassfilter aufweist, mittels welchem das Rohsignal gefiltert wird, wodurch aus dem Rohsignal das Schwingungssignal erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, als der Drucksensor (39, 45) ein Absolutdrucksensor (39) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als der Drucksensor (39, 45) ein Differenzdrucksensor (45) verwendet wird, mittels welchem die Druckschwingungen als Schwingungen einer Druckdifferenz zwischen wenigstens zwei voneinander beabstandeten Stellen (S1, S2) in der Anlage (6) erfasst werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage (6) als Einlasstrakt (6) ausgebildet ist, welcher von Luft als dem Medium durchströmbar ist, wobei in dem Einlasstrakt (6) ein von der Luft durchströmbares Einlassmodul (12) angeordnet ist, welches eine von der Luft durchströmbare Kammer (13), wenigstens einen fluidisch mit der Kammer (13) verbundenen und von der Kammer (13) abzweigenden, ersten Einlasskanal (14), über welchen ein erster Teil der Luft einem ersten Brennraum (3, A) der Verbrennungskraftmaschine (1) zugeführt wird, und wenigstens einen fluidisch mit der Kammer (13) verbundenen und von der Kammer (13) abzweigenden, zweiten Einlasskanal (14) aufweist, über welchen ein zweiter Teil der Luft einem zweiten Brennraum (3, B) der Verbrennungskraftmaschine (1) zugeführt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Stellen (S1, S2) stromab der Kammer (13) und stromauf eines Einlassventils (11) des ersten Brennraums (3, A) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die andere Stelle (S2) stromab der Kammer (13) und stromauf eines Einlassventils (11) des zweiten Brennraums (3, B) oder in der Kammer (13) angeordnet ist.
Vorrichtung zum Erzeugen eines Geräusches, welches einen Betrieb einer eine von einem gasförmigen Medium durchströmbare Anlage (6) aufweisenden Verbrennungskraftmaschine (1) eines Kraftfahrzeugs charakterisiert, mit wenigstens einem Aktor (38) und mit einer Steuereinrichtung (50), welche dazu ausgebildet ist: • Wenigstens ein von wenigstens einem Drucksensor (39, 45) bereitgestelltes Schwingungssignal zu empfangen, welches mittels des Drucksensors (39, 45) erfasste Druckschwingungen in der Anlage (6) charakterisiert; • Einen Wechselanteil des Schwingungssignals zu bestimmen; • Wenigsten ein Ansteuersignal derart zu erzeugen, dass die Steuereinrichtung (50) eine Frequenz des Ansteuersignals in Abhängigkeit von dem Wechselanteil bestimmt; und • Den Aktor (38) in Abhängigkeit von dem Ansteuersignal anzusteuern, um dadurch mittels des Aktors (38) das Geräusch zu erzeugen.