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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren
zur Erzeugung einer Gasströmung
mit sich darin ausbreitenden Druckpulsationen. Die Erfindung betrifft
außerdem
einen Akustikprüfstand,
der mit einer derartigen Vorrichtung ausgestattet ist bzw. nach
einem derartigen Verfahren arbeitet.
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In
einer Vielzahl von Anwendungen breitet sich Luftschall in einer
gasführenden
Leitung aus, wobei es zu einer Schallemission in die Umgebung der
Leitung kommen kann. Mit Hilfe von Maßnahmen zur Beeinflussung des
Schalls kann die Schallemission gezielt verändert, insbesondere gedämpft werden.
Beispielsweise erzeugen Brennkraftmaschinen, insbesondere von Kraftfahrzeugen,
Schall, der sich sowohl durch eine Abgasleitung als auch durch eine Ansaugleitung
der Brennkraftmaschine ausbreitet. Um hier eine Lärmbelästigung
durch Schallemission zu vermeiden, kann es erforderlich sein, an
der Abgasleitung und/oder an der Ansaugleitung schalldämpfende
Maßnahmen
durchzuführen.
Desweiteren kann es erforderlich sein, den sich in der jeweiligen
gasführenden
Leitung ausbreitenden Schall gezielt zu beeinflussen, um beispiels weise
einen speziellen Sound zu generieren, der dem Fahrzeugführer ein
hörbares
Feedback über
die momentane Motorleistung liefert. Eine andere Maßnahme zur
Schallbeeinflussung kann beispielsweise das Auskoppeln von Schall
aus der gasführenden
Leitung und Abstrahlen des ausgekoppelten Schalls in einen Fahrzeuginnenraum
oder in die Fahrzeugumgebung sein. Zur Realisierung dieser und anderer
Maßnahmen
zur Schallbeeinflussung müssen
entsprechende Vorrichtungen und Einrichtung, wie z.B. ein Schalldämpfer, getestet werden.
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Wenn
beispielsweise ein Schalldämpfer
für die
Ansaugleitung einer Brennkraftmaschine getestet werden soll, muss
die entsprechende Brennkraftmaschine derzeit in einen Prüfstand eingebaut
und betrieben werden. Der zu testende Ansaugschalldämpfer wird
in der gewünschten
Weise mit der Ansaugleitung der Brennkraftmaschine gekoppelt und
kann so im Betrieb der Brennkraftmaschine getestet werden. Nachteilig
sind hierbei der relativ große
apparative Aufwand und die mit dem Betrieb der Brennkraftmaschine
eingehenden Abgasemissionen.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt
sich mit Problem, für
das Testen von Maßnahmen
zur Beeinflussungen von Schall einen verbesserten Weg aufzuzeigen,
der insbesondere preiswert realisierbar ist.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß durch
den Gegenstand der unabhängigen
Ansprüche gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die
vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, in einer
sich in einem Strömungskanal
ausbreitenden, gleichmäßigen, also
im wesentlichen druckpulsationsfreien Gasströmung durch ein getaktetes Öffnen und
Schließen
des Strömungskanals
gezielt Druckpulsationen auszubilden. Diese Druckpulsationen können durch
eine geeignete Taktung der Öffnungs-
und Schließvorgänge ein gewünschtes
Schallfeld simulieren. Insbesondere kann auf diese Weise mit Hilfe
der Druckpulsationen ein Luftschall modelliert werden, an dem die
Wirkungsweise einer Schallbeeinflussungsmaßnahme, z.B. eines Schalldämpfers,
getestet werden kann. Beispielsweise kann im Strömungskanal der sich im Betrieb
einer Brennkraftmaschine in der Abgasleitung oder Ansaugleitung
ausbreitende Luftschall nachgebildet werden. Mit Hilfe der Erfindung
ist es daher möglich,
Vorrichtungen und Einrichtungen zur Behandlung von Luftschall, der
sich einer gasführenden
Leitung einer Brennkraftmaschine ausbreitet, ausführlich zu
testen und zu erproben, ohne dass dazu die Brennkraftmaschine in
einen Prüfstand
eingebaut werden muss. Ebenso können
beliebige andere Komponenten eines Frischgas- oder Abgasstrangs
einzeln z.B. im Hinblick auf deren Körperschallabstrahlung hin untersucht
werden. Die Vorteile im Hinblick auf Kosteneinsparungen und reduzierte Abgasemissionen
liegen auf der Hand.
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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 sich, 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 den Zeichnungen dargestellt und wird in der
nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert, wobei
sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder funktional gleiche oder ähnliche
Bauteile beziehen.
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Es
zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine stark vereinfachte
Prinzipdarstellung eines Akustikprüfstands, der mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
ausgestattet ist,
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2 einen Ausschnitt des Akustikprüfstands,
jedoch bei einer anderen Ausführungsform,
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3 bis 6 Detailansichten einer Sperreinrichtung
der Vorrichtung, jedoch bei verschiedenen Ausführungsformen.
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Entsprechend 1 umfasst ein erfindungsgemäßer Akustikprüfstand 1 eine
gasführende
Leitung 2, in der sich im Betrieb des Akustikprüfstands 1 eine
Gasströmung 3 ausbreitet, die
in 1 durch einen Pfeil
symbolisiert ist. In dieser Gasströmung 3 breitet sich
im Betrieb des Akustikprüfstands 1 Schall aus;
dieser Schall wird unabhängig
vom jeweiligen Gas als „Luftschall" bezeichnet. An oder
in dieser Leitung 2 kann nun eine Maßnahme 4 zur Beeinflussung des
Luftschalls angeordnet werden. Beispielsweise handelt es sich bei
dieser Maßnahme 4 um
eine Einrichtung oder Vorrichtung zur Bedämpfung (z.B. Schalldämpfer) und/oder
Modulation (z.B. Soundgenerator) des Luftschalls bei bestimmten
Frequenzen. Der Akustikprüfstand 1 umfasst üblicherweise
eine Sensorik 5, die mit einer Vielzahl von Sensoren 6,
die insbesondere als Mikrofone ausgebildet sind, ausgestattet ist,
die im Betrieb des Akustikprüfstands 1 ihre Messsignale
einer entsprechenden Auswerteeinrichtung zuführen. Die „Maßnahme" 4 kann auch eine gasführende Komponente
sein, wie z.B. ein Luftfilter, dessen akustische Wirkung, insbesondere
dessen Körperschallabstrahlung
untersucht werden soll.
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Der
Akustikprüfstand 1 ist
außerdem
mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 7 ausgestattet, die
zur Erzeugung einer Gasströmung
mit sich darin ausbreitenden Druckpulsationen dient. Die Gasströmung ist
dabei wieder durch einen Pfeil 3 repräsentiert, während die Druckpulsationen
durch eine Wellenlinie 8 symbolisiert sind. Die Vorrichtung 7 besitzt einen
Strömungskanal 9,
der hier direkt an die Leitung 2 angeschlossen ist bzw.
in die Leitung 2 übergeht.
Ebenso können
Strömungskanal 9 und
Leitung 2 durch ein und denselben Körper gebildet sein.
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Die
Vorrichtung 7 umfasst eine Einrichtung 10 zum
Erzeugen einer gleichmäßigen Gasströmung im
Strömungskanal 9.
Diese gleichmäßige Gasströmung ist
wieder durch den Pfeil 3 symbolisiert. Unter einer „gleichmäßigen" Gasströmung 3 wird
im vorliegenden Zusammenhang eine Gasströmung 3 verstanden,
in der sich im wesentlichen keine Druckpulsationen 8 ausbreiten.
Durch die Begriffe „im
wesentlichen" soll
zum Ausdruck gebracht werden, dass die von der Vorrichtung 7 gezielt
erzeugten Druckpulsationen 8 in der gleichmäßigen Gasströmung 3 nicht vorhanden
sind, während
andere Druckpulsationen, z.B. aufgrund von Störgeräuschen oder parasitären Effekten,
nicht ausgeschlossen sind. Die Einrichtung 10 ist bei der
in der 1 gezeigten Ausführungsform
als Gebläse 11 ausgebildet,
das im Betrieb der Vorrichtung 7 einen konstanten Volumenstrom
erzeugt und in den Strömungskanal 9 einleitet.
Das Gebläse 11 ist
saugseitig beispielsweise an eine Umgebung 12 angeschlossen.
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Die
Vorrichtung 7 besitzt außerdem eine Sperreinrichtung 13,
die so ausgestaltet ist, dass sie den Strömungskanal 9 getaktet öffnen und
schließen kann.
Unter „getakteten" Öffnungs- und Schließvorgängen werden
hierbei Öffnungs-
und Schließvorgänge verstanden,
die zu bestimmten Zeitpunkten bzw. in bestimmten Zeitabständen voneinander durchgeführt werden.
Die Öffnungs-
und Schließwirkung
der Sperreinrichtung 13 ist entlang des Strömungskanals 9 an
einer geeigneten Stelle positioniert, die hier durch eine geschweifte
Klammer gekennzeichnet und mit 14 bezeichnet ist. Bei geöffnetem
Strömungskanal 9 ist
diese Öffnungs-
und Schließposi tion 14 gasdurchlässig, während sie
bei geschlossenem Strömungskanal
sperrt. Bei geschlossenem Strömungskanal 9 kommt
es aufgrund von Trägheitseffekten
stromauf der Öffnungs-
und Schließposition 14 zu
einem Aufstau der abgebremsten Gasströmung 3, was dort mit
einem Druckanstieg einhergeht. Gleichzeitig strömt das Gas stromab der Öffnungs-
und Schließposition 14 weiter
ab, wodurch dort der Druck abfällt.
Beim nachfolgenden Öffnen des
Strömungskanal 9 liegt
an der Öffnungs-
und Schließposition 14 eine
erhöhte
Druckdifferenz an, die das Gas beschleunigt. Durch eine gezielte
Taktung der Öffnungs-
und Schließvorgänge können in der
Gasströmung 3 die
gewünschten
Druckpulsationen 8 erzeugt werden. Dabei ist es möglich, durch eine
entsprechende Taktung die Druckpulsationen 8 hinsichtlich
ihrer Pulsationsfrequenz in einem großen Spektrum zu variieren.
Diese Druckpulsationen 8 entsprechend dabei dem Luftschall,
der sich in der Gasströmung 3 und
somit im Strömungskanal 9 bzw. in
der Leitung 2 ausbreitet.
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Die
Sperreinrichtung 13 besitzt ein Sperrorgan 15,
das die Öffnungs-
und Schließposition 14 definiert
und im Strömungskanal 9 angeordnet
ist. Das Sperrorgan 15 ist mit einem Stellantrieb 16 antriebsverbunden
und kann zwischen einer mit unterbrochener Linie dargestellten Offenstellung
und einer mit durchgezogener Linie gezeigten Schließstellung
verstellt werden. In der Offenstellung gibt das Sperrorgan 15 den
Querschnitt des Strömungskanals 9 frei, während es
in seiner Schließstellung
den Querschnitt des Strömungskanals 9 sperrt.
Der Sperreinrichtung 13 ist außerdem eine Steuerein richtung 17 zugeordnet,
die den Stellantrieb 16 in geeigneter Weise betätigt. Die
Steuereinrichtung 17 ist hier mit wenigstens einem Druckaufnehmer 18 der
Sperreinrichtung 13 verbunden, der stromab des Sperrorgans 15 am
oder im Strömungskanal 9 angeordnet
ist. Der Druckaufnehmer 18 sensiert die sich im Strömungskanal 9 ausbreitenden
Druckpulsationen 8 und generiert damit korrelierende Pulsationssignale.
Die Steuereinrichtung 17 kann somit die Sperreinrichtung 13 bzw. deren
Stellantrieb 16 in Abhängigkeit
der Pulsationssignale ansteuern. Beispielsweise ist es dadurch möglich, die
Sperreinrichtung 13 bzw. deren Stellantrieb 16 im
Sinne einer durch die Pulsationsfrequenz geführten Regelung anzusteuern,
beispielsweise um für
die Druckpulsationen 8 eine bestimmte Pulsationsfrequenz
einzuregeln.
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Für den Betrieb
der Vorrichtung 7 kann es beispielsweise vorgesehen sein,
dass die Steuereinrichtung 17 einen vorgegebenen, zeitlichen
Verlauf von Pulsationsfrequenzen abarbeitet, um diesen Verlauf durch
eine entsprechende Ansteuerung der Sperreinrichtung 13 bzw.
des Stellantriebs 16 zu generieren. Diese Abläufe können beispielsweise
verschiedenen Betriebspunkten eine Brennkraftmaschine zugeordnet
sein, und können
durch Berechnung und/oder Versuch ermittelt werden. Damit ist es
mit dem erfindungsgemäßen Akustikprüfstand 1 insbesondere
möglich,
die im Betrieb einer Brennkraftmaschine in einer Ansaugleitung und/oder
in einer Abgasleitung auftretenden typischen Druckpulsationen nachzubilden,
um die Wirkungsweise der Maßnahme 4 zu
testen. Von besonderem Vorteil ist dabei, dass die Brennkraftmaschine
dazu nicht in den Akustikprüfstand 1 eingebaut
werden muss. Die Leitung 2 des Akustikprüfstands 1 repräsentiert
im Versuch dann beispielsweise die Abgasleitung oder die Ansaugleitung
der Brennkraftmaschine. Die Kosten und Umweltschutzvorteile liegen
auf der Hand.
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Entsprechend 2 kann die Einrichtung 10 zur
Erzeugung der gleichmäßigen Gasströmung 3 auch
einen Gasspeicher 19 aufweisen, der über eine Drossel 20 gleichmäßig entspannt
wird, um die Gasströmung 3 zu
erzeugen. Eine Befüllungspumpe
zum Auffüllen
des Gasspeichers 19 ist hier nicht dargestellt. Mit Hilfe
des Gasspeichers 19 können
für eine relativ
kurze Zeit Gasströmungen 3 mit
relativ großen Volumenströmen generiert
werden. Denkbar ist auch eine spezielle Ausführungsform, bei welcher die Drossel 20 dem
steuerbaren Sperrorgan 15 der Sperreinrichtung 13 entspricht.
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Für den Stellantrieb 16 ist
grundsätzlich
jede beliebige, geeignete Ausführungsform
vorstellbar. Insbesondere kann der Stellantrieb 16 als
Motor ausgebildet sein, der hydraulisch, pneumatisch, elektrisch,
elektromagnetisch oder durch eine Mischung daraus arbeitet. Auch
für das
Sperrorgan 15 sind grundsätzlich beliebige, geeignete
Ausführungsformen
denkbar. Wesentlich ist jedoch, dass die Kombination aus Stellantrieb 16 und
Sperrorgan 15 so gestaltet ist, dass das Sperrorgan 15 hinreichend schnell
getaktet werden kann, um die gewünschten Pulsationsfrequenzen
zu generieren.
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Die 3 bis 6 zeigen exemplarische Varianten für das Sperrorgan 15.
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Gemäß 3 kann das Sperrorgan 15 als Schmetterlingsklappe 21 ausgebildet
sein, die um eine im wesentliche mittig angeordnete Drehachse 22 verstellbar
ist. In 3 ist die Schließstellung
der Schmetterlingsklappe 21 gezeigt.
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4 zeigt eine andere Klappe 23,
bei der die Drehachse 22 in der Nähe einer Wand 24 des Strömungskanals 9 angeordnet
ist. In 4 befindet sich
die Klappe 23 zwischen ihrer Schließstellung und ihrer Offenstellung.
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Gemäß 5 kann das Sperrorgan 15 auch als
Schieber 25 ausgebildet sein, der entsprechend einem Doppelpfeil 26 bidirektional
und quer zur Längsrichtung
des Strömungskanals 9 in
den Querschnitt des Strömungskanals 9 einschiebbar
bzw. herausschiebbar ist. Der Schieber 25 ist in 5 teilweise geschlossen
bzw. teilweise geöffnet.
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Die
Variante gemäß 6 zeigt ein als Drehschieber 27 ausgebildetes
Sperrorgan 15, dessen Drehachse 22 zentral angeordnet
ist und sich dabei quer zur Längsrichtung
des Strömungskanals 9 erstreckt.
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- 1
- Akustikprüfstand
- 2
- Leitung
- 3
- Gasströmung
- 4
- Maßnahme
- 5
- Sensorik
- 6
- Sensor
- 7
- Vorrichtung
- 8
- Druckpulsation
- 9
- Strömungskanal
- 10
- Einrichtung
- 11
- Gebläse
- 12
- Umgebung
- 13
- Sperreinrichtung
- 14
- Öffnungs-
und Schließposition
- 15
- Sperrorgan
- 16
- Stellantrieb
- 17
- Steuereinrichtung
- 18
- Druckaufnehmer
- 19
- Gasspeicher
- 20
- Drossel
- 21
- Schmetterlingsklappe
- 22
- Drehachse
- 23
- Klappe
- 24
- Wand
- 25
- Schieber
- 26
- Verstellbewegung
- 27
- Drehschieber