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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Abgasanlage für
eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs.
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Die während des Betriebs einer Brennkraftmaschine
entstehenden Geräusche
werden vor allem in die Abgasanlage eingeleitet, wobei die Abgasanlage
einen oder mehrere Schalldämpfer
enthält, um
das mit den Abgasen mitgeführte
Abgasgeräusch zu
bedämpfen. Üblicherweise
werden derartige Schalldämpfer
für bestimmte
Frequenzen oder Frequenzbänder
ausgelegt, in denen sie ihre Hauptdämpfungswirkung zeigen, während sie
bei anderen Frequenzen keine oder nur eine relativ geringe Dämpfungswirkung
entfalten können.
Insbesondere bei einem Kraftfahrzeug ist der Betrieb der Brennkraftmaschine
dynamisch, so dass bei der Brennkraftmaschine vor allem Drehzahl
und Leistung stark variieren können.
Damit geht in der Regel eine Veränderung
des von der Brennkraftmaschine abgestrahlten Geräuschspektrums einher, wobei
sich insbesondere die Hauptstörfrequenzen
oder Hauptstörfrequenzbereiche
verschieben können.
Um die Abgasgeräusche
in einem relativ großen
Betriebsbereich der Brennkraftmaschine optimal bedämpfen zu können, ist
daher ein relativ großer
Aufwand erforderlich.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit
dem Problem, für
eine Abgasanlage der eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform
anzugeben, die insbesondere die Bedämpfung von Abgasgeräuschen für einen
relativ großen
Betriebsbereich der Brennkraftmaschine vereinfacht.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch
den Gegenstand des unabhängigen
Anspruchs gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken,
bei einer Abgasanlage, die mit zwei separaten Abgassträngen ausgestattet
ist, eine Schallübertragungseinrichtung
vorzusehen, die es ermöglicht,
gezielt die Abgasgeräusche
des einen Abgasstrangs in den anderen Abgasstrang und vice versa zu übertragen
oder zu sperren. Die Erfindung nutzt dabei die Erkenntnis, dass
das Abgasgeräusch
der Brennkraftmaschine über
einen weiten Drehzahlbereich durch das bei der Zündfrequenz und deren ganzzahligen
vielfachen entstehende Geräusch
geprägt
ist. Diese dominierende Frequenz beträgt bei M Zylindern und einem
Viertakt-Motor M/2 mal der Drehzahl der Brennkraftmaschine. Die
Zündfrequenz ist
außerdem
wesentlich für
den subjektiven Klangcharakter des Abgasgeräusches verantwortlich.
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Wenn nun die Abgasanlage zweiflutig,
also mit zwei separaten Abgassträngen
ausgeführt
ist, sind dementsprechend für
jeweils eine möglichst gleich
große
Gruppe von Zylindern ein vollständiger Abgasstrang,
einschließlich
eigener Schalldämpferanordnung,
vorgesehen. Vereinfacht dargestellt wirkt dann eine derartige Abgasanlage
bei einer Brennkraftmaschine mit M Zylindern wie zwei völlig unabhängige Abgasanlagen
für eine
Brennkraftmaschine mit K Zylindern und für eine Brennkraftmaschine mit L
Zylindern, wobei gilt: K + L = M. Folglich wird bei der Brennkraftmaschine
mit M Zylindern in dieser speziellen zweiflutigen Abgasanlage das
Abgasgeräusch durch
die Zündfrequenz
von Brennkraftmaschinen mit K und L Zylindern bestimmt. Beispielsweise
verhält
sich bei einem 6-Zylinder-Motor
das Abgasgeräusch
bei einer zweiflutigen Abgasanlage wie bei einem 3-Zylinder-Motor.
Der sich dabei bildende Geräuscheindruck
ist somit durch die beiden parallel wirkenden Zylindergruppen der
Brennkraftmaschine geprägt.
Mit anderen Worten: Bei einem M-Zylinder-Motor mit einflutiger Abgasanlage
ist das Abgasgeräusch
im wesentlichen durch die M/2-Ordnung der Motordrehzahl geprägt, während es
bei einer zweiflutigen Abgasanlage im wesentlichen durch die K/2-Ordnung
und die L/2-Ordnung der Motordrehzahl geprägt ist, wobei wieder gilt:
K + L = M.
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Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Schallübertragungseinrichtung
ist es nun möglich,
die beiden separaten Abgasanlagen, die an sich hinsichtlich einer
gegenseitigen Schallübertragung
voneinander entkoppelt sind, bedarfsabhängig hinsichtlich einer gegenseitigen
Schallübertragung
zu koppeln. Durch diese Kopplung wandelt sich der Klangcharakter
der einzelnen Abgasstränge,
da nun wieder die Zündfrequenz
des M-Zylinder-Motors
hauptsächlich
das Abgasgeräusch
bestimmt, während
das Geräusch
der Zündfrequenzen
bei den den einzelnen Abgassträngen
zugeordneten Zylindergruppen, also die Zündfrequenz des K- bzw. L-Zylinder-Motors
vergleichsweise stark zurückgeht.
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Mit Hilfe der Erfindung ist es somit
möglich, eine
Schalldämpferanordnung,
die für
einen bestimmten Drehzahlbereich ausgelegt ist, durch eine entsprechende
Ansteuerung der Schallübertragungseinrichtung
nun auch für
einen weiteren Drehzahlbereich mit im wesentlichen verdoppelter
Drehzahl nutzen zu können.
Hierzu ist beim niedrigeren Drehzahlbereich die Schallübertragungseinrichtung aktiv,
so dass die M/2-Ordnung der Drehzahl das Abgasgeräusch prägt. Bei
größeren Drehzahlen
kann dann die Schallübertragungseinrichtung
deaktiviert werden, so dass dann die K/2-Ordnung und die K/2-Ordnung
das Abgasgeräusch
bestimmen. Da die Zylinderzahlen K und L jeweils halb so groß oder etwa
halb so groß sind
wie die Zylinderzahl M, kann mit der erfindungsgemäßen Schallübertragungseinrichtung
bei höheren
Drehzahlbereichen etwa dieselbe Klangcharakteristik wie bei der
halben Drehzahl eingestellt werden. Dementsprechend sind die für einen
bestimmten Drehzahlbereich ausgelegten Schalldämpfer doppelt bzw. in einem
größeren Frequenzbereich
nutzbar, ohne dass hierzu eine bauliche Veränderung der Schalldämpfer erforderlich
ist.
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Dabei kann es, insbesondere im Hinblick
auf erhöhte
Stückzahlen,
von Vorteil sein, die erste Schalldämpferanordnung des ersten Abgasstrangs und
die zweite Schalldämpferanord nung
des zweiten Abgasstrangs hinsichtlich Dämpfungswirkung und/oder Durchströmungswiderstand
gleich oder im wesentlichen gleich auszubilden. Die insoweit quasi identischen
Abgasstränge
bzw. Schalldämpferanordnungen
können
relativ preiswert realisiert werden.
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Entsprechend einer besonders vorteilhaften Ausführungsform,
kann vorgesehen sein, eine Steuereinrichtung, welche die Schallübertragungseinrichtung
zwischen einem Zustand mit minimaler Schallübertragung und einem Zustand
mit maximaler Schallübertragung
umschalten kann, so auszugestalten, dass das Umschalten zwischen
den genannten Extremzuständen
kontinuierlich oder mehrstufig durchführbar ist, so dass wenigstens
ein Zwischenzustand einstellbar ist. Durch diese Maßnahme kann zwischen
der Prägungswirkung
der einzelnen Zylindergruppen (K/2-Ordnung und L12-Ordnung) und
der Prägungswirkung
aller Zylinder (M/2-Ordnung) mehrstufig oder kontinuierlich umgeschaltet
werden, wodurch es bei einer entsprechenden Ausgestaltung der Schalldämpferanordnungen
möglich
ist, den Drehzahlbereich, in dem die Schalldämpferanordnungen die gewünschte Dämpfungswirkung
erzielen können,
deutlich zu vergrößern.
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Zweckmäßig kann die Schallübertragungseinrichtung
zumindest ein hohles Übertragungsrohr aufweisen,
das einenends in den einen Abgasstrang einmündet und anderenends in den
anderen Abgasstrang einmündet.
Durch dieses Übertragungsrohr können die
sich in den einzelnen Abgassträngen
ausbreitenden Schallwellen besonders leicht und quasi ungedämpft von
dem einen zum anderen Abgasstrang und umgekehrt übertreten.
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Grundsätzlich sind jedoch beliebige
andere Schallübertragungseinrichtungen
möglich.
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Bei einer einfachen Bauweise können die beiden
Abgasstränge über das Übertragungsrohr miteinander
kommunizieren, das heißt,
das Übertragungsrohr
ermöglicht
bei aktivierter Schallübertragungseinrichtung
einen Gasaustausch zwischen den beiden Abgassträngen. Für den Fall, das ein derartiger
Gasaustausch nicht erwünscht
ist, möglicherweise
bei ungerader Gesamt-Zylinderzahl, kann es vorteilhaft sein, die
Schallübertragungseinrichtung
so auszugestalten, dass darüber
kein Gasaustausch zwischen den Abgassträngen erfolgen kann. Bei einem Übertragungsrohr
kann dies beispielsweise durch eine durch Schall anregbare, gasdichte
Membran erreicht werden, die in das Übertragungsrohr eingebaut ist.
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Vorteilhaft erfolgt die Anbringung
und Ausgestaltung der Schallübertragungseinrichtung
so, dass sie unabhängig
von ihrem Schaltzustand sowohl in dem einen Abgasstrang als auch
im anderen Abgasstrang keinen oder im wesentlichen keinen Druckverlust
erzeugt.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und
aus der zugehörigen
Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sieh, dass die vorstehend
genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur
in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen
der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
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Die einzige 1 zeigt eine stark vereinfachte Prinzipdarstellung
einer erfindungsgemäßen Abgasanlage.
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Entsprechend 1 ist eine Brennkraftmaschine 1,
insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einer Abgasanlage 2 nach
der Erfindung ausgestattet. Die Abgasanlage 2 ist mit zwei
separaten und parallel laufenden Abgassträngen, nämlich einem ersten Abgasstrang 3 und
einem zweiten Abgasstrang 4, ausgestattet. Während der
erste Abgasstrang 3 einer ersten Gruppe 5 von
Zylindern 6 zugeordnet ist, führt der zweite Abgasstrang 4 die
Abgase einer zweiten Zylindergruppe 7 ab. Im vorliegenden
Beispiel handelt es sich bei der Brennkraftmaschine 1 um
einen 6-Zylinder-Motor, der als V-Motor ausgestaltet ist und dementsprechend
zwei Zylinderbänke 8 und 9 mit
jeweils drei Zylindern 6 besitzt. Die drei Zylinder 6 jeder Zylinderbank 8, 9 bilden
dann jeweils eine Zylindergruppe 5 bzw. 7. Insbesondere
aus Bauraumgründen werden
die Abgase der ersten Zylindergruppe 5 der ersten Zylinderbank 8 unabhängig von
den Abgasen der zweiten Zylindergruppe 7 der zweiten Zylinderbank 9 über die
beiden separaten Abgasstränge 3, 4 abtransportiert.
Bei einer geradzahligen Zylinderzahl ist jedem Abgasstrang 3, 4 zweckmäßig die
Hälfte der
Gesamt-Zylinderzahl zugeordnet, während bei einer ungeraden Zylinderzahl
einem der Abgasstränge 3, 4 ein
Zylinder 6 mehr zugeordnet ist. Grundsätzlich ist daher die erfindungsgemäße Abgasanlage 2 bei
Brennkraftmaschinen 1 mit beliebiger Zylinderzahl anwendbar.
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Entsprechend 1 enthält jeder Abgasstrang 3, 4 beispielsweise
einen Katalysator 10. Der erste Abgasstrang 3 enthält außerdem eine
erste Schalldämpferanordnung 11 und
der zweite Abgasstrang 4 enthält eine zweite Schalldämpferanordnung 12.
Jede Schalldämpferanordnung 11, 12 umfasst
wenigstens einen Schalldämpfer 13.
In der vorliegenden Ausführungsform
umfasst jede Schalldämpferanordnung 11, 12 beispielsweise
zwei nacheinander durchströmte
Schalldämpfer 13.
Stromab der Schalldämpferanordnungen 11, 12 führen die
Abgasstränge 3, 4 jeweils
zu einer eigenen, hier nicht gezeigten Abgasaustrittsmündung.
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Erfindungsgemäß umfasst die Abgasanlage 2 eine
Schallübertragungseinrichtung 14,
die eine steuerbare Übertragung
des sich in den einzelnen Abgassträngen 3, 4 ausbreitenden
Schalls ermöglicht.
Zur Steuerung der Schallübertragungseinrichtung 14 ist
eine Steuereinrichtung 15 vorgesehen. Bei der hier gezeigten,
bevorzugten Ausführungsform
besteht die Schallübertragungseinrichtung 14 im
wesentlichen aus einem hohlen Übertragungsrohr 16,
das einenends in den ersten Ab gasstrang 3 und anderenends
in den zweiten Abgasstrang 4 einmündet. Diesem Übertragungsrohr 16 ist
ein Steuerglied 17 zugeordnet, das von der Steuereinrichtung 15 ansteuerbar
ist. Das Steuerglied 17 umfasst hier eine Klappe 18,
die um eine Schwenkachse 19 verschwenkbar ist. In 1 ist mit durchgehender
Linie eine Schließstellung
und mit unterbrochener Linie eine Offenstellung für die Klappe 18 wiedergegeben. Auf
diese Weise kann die Schallübertragungseinrichtung 14 zwischen
einem Zustand mit minimaler Schallübertragung, der bei geschlossener
Klappe 18 vorliegt, und einem Zustand mit maximaler Schallübertragung,
der bei (vollständig)
geöffneter
Klappe 18 vorliegt, umgeschaltet werden.
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Im Zustand minimaler Schallübertragung sind
die beiden Abgasstränge 3, 4 hinsichtlich
einer gegenseitigen Schallübertragung
voneinander entkoppelt, so dass in den einzelnen Abgassträngen 3, 4 die
Abgasgeräusche
im Bereich der Zündfrequenzen
der jeweils zugeordneten Zylindergruppen 5, 7 dominieren.
Im Zustand maximaler Schallübertragung
sind die beiden Abgasstränge 3, 4 hinsichtlich einer
gegenseitigen Schallübertragung
miteinander gekoppelt, so dass sich die Abgasgeräusche zwischen den beiden Abgassträngen 3, 4 übertragen und
sich überlagern,
mit der Folge, dass dann insgesamt die Zündfrequenz aller Zylinder 6 dominiert.
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Die Erfindung nutzt nun diese Erkenntnis,
in dem die Schalldämpferanordnungen 11, 12,
die zur Vereinfachung zweckmäßig identisch
ausgebildet sind und die z.B. hinsichtlich Dämpfungswirkung und/oder Durchströmungswiderstand
gleich oder im wesentlichen gleich ausgebildet sind, für wenigstens eine
Störfrequenz
bzw. für
ein Störfrequenzband ausgelegt
werden. Da die Abgasgeräusche
drehzahlabhängig
sind, kann durch eine geeignete Ansteuerung der Schallübertragungseinrichtung 14 die
für das
Hauptstörgeräusch verantwortliche
Zündfrequenz
umgeschaltet werden, nämlich
von der höheren
Zündfrequenz
aller Zylinder 6 bei geöffneter
Klappe 18 und der halbierten Zündfrequenz der einzelnen Zylinderbände 8, 9 bei
geschlossener Klappe 18. Dementsprechend kann die Steuereinrichtung 15 bei niedrigen
Drehzahlen die Klappe 18 öffnen, das heißt die Schallübertragungseinrichtung 14 aktivieren,
und bei höheren
Drehzahlen die Klappe 18 schließen, um dadurch die Schallübertragungseinrichtung 14 zu deaktivieren.
Für die
Geräuschemission
der Abgasstränge 3, 4 ergibt
sich dadurch ein Frequenzsprung, so dass es grundsätzlich möglich ist,
die Schalldämpferanordnungen 11, 12 nochmals
zu nutzen, wodurch der Drehzahlbereich, in dem die Schalldämpferanordnungen 11, 12 effektiv
eine Schalldämpfung
erzielen können,
erheblich vergrößert werden
kann.
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Zweckmäßig erfolgt die Betätigung der Schallübertragungseinrichtung 14 drehzahlabhängig und/oder
lastabhängig,
wozu die Steuereinrichtung 15 z.B. auf Kennfelder zugreifen
kann.
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Bei einer Weiterbildung kann es vorgesehen sein,
das Umschalten der Schallübertragungseinrichtung 14 zwischen
den Extremzuständen
(vollständig geschlossen
und vollständig
geöffnet)
kontinuierlich oder mehrstufig, also mit einem oder mit mehreren Zwischenzuständen durchzuführen. Dabei
kann auch dieser Schaltvorgang von der Steuereinrichtung 15 drehzahlabhängig durchgeführt werden.
Durch diese Maßnahme
wird ein abruptes Umschalten der von der Abgasanlage 2 emittierten
Abgasgeräusche vermieden,
was insbesondere bei einer in einem Fahrzeug eingebauten Brennkraftmaschine 1 zu
Irritationen des Fahrzeugführers
führen
könnte.
Darüber
hinaus kann das kontinuierliche oder mehrstufige Umschalten auch
für die
bessere Ausnutzung der Schalldämpferanordnungen 11, 12 vorteilhaft
sein, wodurch deren Dämpfungswirkung
zusätzlich
verbessert wird.
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Anstelle der hier beispielhaft gezeigten
Klappe 18 kann das Steuerglied 17 auch einen Schieber oder
eine Blende oder ein anderes geeignetes Bauteil aufweisen.
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Das Steuerglied 17 bzw.
die Klappe 18 ist hier (mittig) zwischen den Enden des Übertragungsrohrs 16 angeordnet,
so dass eine Wechselwirkung der Klappe 18 mit den Abgasströmungen in
den Abgassträngen 3, 4 vermieden
werden kann.
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Die Schallübertragungseinrichtung 14 ist
außerdem
so ausgestaltet bzw. an die Abgasstränge 3, 4 so
angeschlossen, dass sie keinen oder nur einen vernachlässigbar
geringen Einfluss auf die Gasströmungen
in den Abgassträngen 3, 4 erzeugt.
Insbesondere soll jeglicher Druckverlust in den Abgassträngen 3, 4 vermieden
werden. Eine besonders gute Schallübertragung zwischen den beiden
Abgassträngen 3, 4 kann
mit Hilfe des Übertragungsrohrs 16 dann
gewährleistet
werden, wenn das Übertragungsrohr 16 in
beide Abgasstränge 3, 4 offen einmündet, so
dass die beiden Abgasstränge 3, 4 bei aktivierter
Schallübertragungseinrichtung 14 bzw.
bei geöffneter
Klappe 18 durch das Übertragungsrohr 16 miteinander
kommunizieren, wodurch grundsätzlich auch
ein Gasaustausch zwischen den beiden Abgassträngen 3, 4 möglich ist.
Wenn ein derartiger Gasaustausch vermieden werden soll, ist auch
denkbar, im Übertragungsrohr 16 eine
entsprechend gasdichte, flexible Membran anzuordnen, die durch die Schallwellen
zu Schwingungen anregbar ist.
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Obwohl die Schallübertragungseinrichtung l4 im
hier gezeigten Ausführungsbeispiel
stromauf der Schalldämpferanordnungen 11, 12 angeordnet ist,
kann die Schallübertragungseinrichtung 14 grundsätzlich an
einer beliebigen Stelle der Abgasstränge 3, 4 angeordnet
sein. Beispielsweise kann die Schallübertragungseinrichtung 14 bzw.
das Übertragungsrohr 16 zwischen
den Schalldämpfern 13 der
Schalldämpferanordnungen 11, 12 oder
stromab der Schalldämpferanordnungen 11, 12 angeordnet sein.
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Zusammenfassend beruht die vorliegende Erfindung
auf der Überlegung,
einerseits die zwei separaten Abgasstränge 3, 4 so
auszugestalten, dass zwischen ihnen keine oder im wesentlichen keine Schallübertragung
stattfindet, so dass jeder Abgasstrang 3, 4 im
wesentlichen nur das von den jeweils zugeordneten Zylindergruppen 5, 7 jeweils
unabhängig
voneinander erzeugte und/oder dominierte Abgasgeräusch in
die Umgebung abstrahlt. Andererseits wird die Schallübertragungseinrichtung 14 dazu genutzt,
gezielt eine Schallübertragung zwischen den
beiden Abgassträngen 3, 4 herbeizuführen, so dass
die Abgasstränge 3, 4 dann
hinsichtlich der gegenseitigen Schallübertragung miteinander gekoppelt
sind. Dies hat zur Folge, dass beide Abgasstränge 3, 4 dann
jeweils ein von beiden Zylindergruppen 5, 6 durch Überlagerung
gemeinsam erzeugtes und/oder dominiertes Abgasgeräusch in
die Umgebung abstrahlen.