DE19622235A1

DE19622235A1 - Ansaugvorrichtung für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE19622235A1
Application number: DE19622235A
Authority: DE
Inventors: Rolf Fueser
Original assignee: Filterwerk Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Mann and Hummel GmbH
Priority date: 1996-06-03
Filing date: 1996-06-03
Publication date: 1997-12-04
Anticipated expiration: 2016-06-04
Also published as: ZA974796B; DE19622235C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Ansaugvorrichtung für einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Stand der Technik

Bei Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge werden zur Er zielung eines optimalen Betriebsverhaltens Ansaugsysteme bevorzugt, die veränderbare Ansaugstrecken aufweisen und somit eine Anpassung an unterschiedliche Anforderungen des Motorbetriebs gestatten. Auch die Geräuschdämpfung spielt hier eine große Rolle.

Es ist beispielsweise eine Ansaugvorrichtung für einen Ver brennungsmotor aus der DE-OS 40 41 786 bekannt, bei der zur Variierung der Durchtrittsöffnung, durch die die ange saugte Luft strömt, ein steuerbares Absperrorgan vorhanden ist. Das Absperrorgan befindet sich in einem zwischen zwei Ansaugkanälen befindlichen Querkanal und wird durch Steuer befehle einer Steuerelektronik geöffnet oder geschlossen. Die Steuerbefehle sind abhängig von der Drehzahl des Ver brennungsmotors und von der Temperatur der Außenluft, die mit einem Temperaturfühler ermittelt wird.

Um eine Verbesserung des Wirkungsgrades bei der Energieum setzung eines Verbrennungsmotors für einen Betriebsbereich weit unter der Motor-Nennleistung und damit eine Verminde rung des fahrwegbezogenen Kraftstoffverbrauches zu errei chen wird häufig eine selektive Abschaltung von Zylindern an den Verbrennungsmotoren vorgenommen. Zur Steuerung des Motordrehmoments kann dabei neben der üblichen Drosselklap penverstellung auch die Zahl der aktiven Zylinder vermin dert werden. Die zum Drehmoment nicht beitragenden Zylinder laufen mechanisch mit, werden aber nicht mit Kraftstoff versorgt. Bei dieser Zylinderabschaltung ändert sich jedoch auch die Pulsation der angesaugten Luft.

Eine typische Anwendung dieser Zylinderabschaltung ist die Umschaltung eines 6-Zylinder-Verbrennungsmotors von einem 6-Zylinder- auf einen 3-Zylinder-Betrieb. Obwohl der von jedem dieser Zylinder ausgehende Saugpuls in der Ansaugvor richtung für sich gesehen unverändert bleibt, ergibt das zyklische Zusammenspiel von 6 Zylindern einen anderen Pulsationsverlauf als den von 3 Zylindern. Insbesondere tiefe Brummtöne sind hier störend; diese Tieftonanteile können mit Rücksicht auf den Bauraum in einem Kraftfahrzeug sonst nur durch aufwendige Reflexions-Schalldämpfer (z. B. Helmholtz -Resonatoren) vermindert werden.

Aufgabenstellung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ansaugvor richtung für einen Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs auf einfache Weise so fortzubilden, daß insbesondere für unterschiedliche Betriebszustände des Ver brennungsmotors optimale Betriebs- und insbesondere Ge räuschverhältnisse vorliegen.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Ansaugvorrichtung löst die gestellte Aufgabe mit den im Kennzeichen des Hauptanspruchs angegebe nen Merkmalen. Vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Ansaug vorrichtung dadurch, daß durch die Veränderung des Ansaug weges und der Ansauggeometrie eine Anpassung der Ansaugvor richtung an unterschiedliche Zylinderzahlen des Verbren nungsmotors, insbesondere hinsichtlich der Optimierung der Geräuschemission, vorgenommen werden kann.

Die Geräuschemissionen unterscheiden sich beim Betrieb mit unterschiedlichen Zylinderzahlen erheblich. Die Frequenz charakteristik der Saugimpulse ist nicht nur von der Zylin derpulsschwingung sondern auch von den Oberwellen bestimmt; die Frequenzcharakteristik des 6-Zylinder-Motors kann im wesentlichen durch das Zusammenwirken der Sinusschwingungen der 6. und 12 Harmonischen beschrieben werden, wobei die Amplituden deutlich kleiner sind als die des Zylinderpul ses. Im Gegensatz dazu schwingt der Zyklus eines 3- Zylinder-Motors fast ausschließlich mit der Sinuswelle der 3. Harmonischen und die Amplitude wächst dabei über den Wert des Einzelpulses hinaus, dies kann einen Pegelunter schied der Geräuschemission von 13dB ausmachen.

Gemäß der Erfindung kann die Geräuschemission bei einem Be trieb mit abgeschalteten Zylindern vorteilhaft vermindert werden. Insbesondere die im Vollastbetrieb motorakustisch sehr lauten Brummtönen, die bei den gängigen Fahrzeugtypen obendrein einen leichten Weg zum Fahrgast-Innenraum finden und resonanzverstärkt an die Ohren der Insassen gelangen könnten, werden erfolgreich unterdrückt.

Zur Geräuschreduzierung sind neben der Größe des Volumens der Ansaugvorrichtung auch die Abmessungen des sogenannten akustischen Halses im Ansaugrohr für die Dämpfungswirkung entscheidend. Je enger und je länger das Rohrstück ist, de sto niederfrequenter setzt die Dämpfung ein. Insbesondere mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Unteranspruch 2 und der rückbezogenen Ansprüche 3 bis 7 kann in vorteilhaf ter Weise eine Verlängerung und Verengung des Ansaugweges zur besseren Dämpfung der tieferen Frequenzanteile durchge führt werden. Mit einer einfachen mechanischen Verschiebung eines von zwei Innenrohren kann eine Umlenkung der ange saugten Luft erzwungen werden.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ansaugvor richtung wird anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Rohrstück einer An saugvorrichtung mit zwei Innenrohren im Ausgangs zu stand;

Fig. 2 einen Querschnitt durch ein Rohrstück einer An saugvorrichtung mit zwei Innenrohren im umgeschalteten Zustand;

Fig. 3 und 4 Darstellungen des Schwingungsverhaltens eines 3-Zylinder- und eines 6-Zylinder-Motors und

Fig. 5 einen Verlauf der Dämpfungswirkung eines aku stischen Halses über der Frequenz bei unterschiedlicher Zylinderzahl.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist ein Rohrstück 1 einer Ansaugvorrichtung für einen hier nicht dargestellten Verbrennungsmotor gezeigt, durch das ein Luftstrom gemäß der Pfeile 2, bzw. der Pfeile 2.1 und 2.2 hindurchtritt. Im Rohrstück 1 ist konzentrisch ein mit diesem fest verbundenes erstes Innenrohr 3 ange bracht. Zwischen diesem ersten Innenrohr 3 und der Innen wand des Rohrstücks 1 taucht ein axial verschiebbares zwei tes Innenrohr 4 ein. Das zweite Innenrohr 4 kann axial so weit verschoben werden bis es an einer Anschlagplatte 5 dichtend anliegt. Die Anschlagplatte 5 dient hier auch als Halterung für das erste Innenrohr 3.

Das erste Innenrohr 3 weist am unteren Ende an der An schlagplatte 5 eine Anzahl Fenster 6 auf, durch die ange saugte Luft in das innere des ersten Innenrohres 3 strömen kann wenn das zweite Innenrohr 4 gemäß Fig. 1 nicht herun tergeschoben ist. Am oberen Ende des verschiebbaren zweiten Innenrohres 4 befinden sich eine Anzahl Fenster 7 und eine Dichtungsscheibe 8, deren Funktionen unten anhand der Fig. 2 erläutert werden. Die angesaugte Luft strömt nach Fig. 1 parallel (Pfeile 2.1 und 2.2) durch Zwischenräume 9 und 10 sowie durch das Innenrohr 3.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel hat das bewegli che Innenrohr 4 vor einer Umschaltung vom 6-Zylinder- auf den 3-Zylinder-Betrieb die Stellung gemäß Fig. 1, die eine parallele Durchströmung der 3 Rohrräume gestattet. Der Strömungsweg beträgt L, der Strömungsquerschnitt hat den Wert 3_*A, wobei A der Flächeninhalt des Querschnittes einer der 3 Rohrräume ist.

In Fig. 2 ist das zweite Innenrohr 4 heruntergeschoben, so daß es unten an der Anschlagplatte 5 dicht anliegt. Die an gesaugte Luft wird somit gezwungen durch den ersten Zwi schenraum 9 zu strömen (Pfeil 2.3) und wird am rechten Ende durch die abdichtende Scheibe 8 zu den Fenstern 7 geleitet und strömt entgegen der Ansaugrichtung im zweiten Zwischen raum 10 zurück (Pfeil 2.4). Am Ende des Zwischenraumes 10 gelangt die Luft durch die Fenster 6 in das erste Innenrohr und strömt gemäß Pfeil 2.5. Gemäß der Fig. 2 ist somit ein Durchströmungsweg gestaltet, der von außen nach innen die Länge des Rohrstücks 1 dreimal durchmißt.

Nach der Umschaltung vom 6-Zylinder auf den 3-Zylinder- Betrieb hat das bewegliche zweite Innenrohr 4 erfindungsge mäß die linke Anschlagstellung gemäß Fig. 2 eingenommen. Der Durchströmungsweg ist jetzt 3_*L, der Strömungsquer schnitt ist A. Die Querschnitts-Drittelung und die Strö mungsweg-Verdreifachung kann als neutral bezüglich des Durchströmungswiderstandes angesehen werden, da mit der Um schaltung auf den Strömungsweg nach Fig. 2 gleichzeitig ein Motorbetriebszustand eingestellt wird, der wegen der geringen Leistungsforderung eine entsprechend geringen Luftvolumenstrom erzeugt.

Anhand der Fig. 3 bis 5 wird das Dämpfungsverhalten der Ansaugvorrichtung nach dem oben beschriebenen Ausführungs beispiel erläutert.

In der Fig. 3 ist der Zeitablauf der Pulsfolgen des Saug pulses beim 3-Zylinder-Betrieb und in der Fig. 4 beim 6- Zylinder-Betrieb dargestellt. Der Zyklus des 6-Zylinder- Motors nach Fig. 4 zeigt das Zusammenwirken der Sinus schwingungen der 6. und 12. Harmonischen eines 7200 Arbeit zyklusses, wobei erkennbar ist, daß die Amplituden der re sultierenden Schwingung deutlich kleiner als die des Ein zelpulses sind. Im Gegensatz dazu schwingt der 3-Zylinder- Zyklus nach Fig. 3 fast ausschließlich mit der Sinus schwingung der 3. Harmonischen und die Amplitude wächst da bei über den Wert des Einzelpulses hinaus. Bei einer Motor drehzahl von z. B. 3000 U/min ergibt sich beim 6-Zylinder- Betrieb eine störende Frequenz von 150Hz, beim 3-Zylinder- Betrieb beträgt diese 75Hz.

Es ergibt sich rein rechnerisch beim Übergang vom 6- Zylinder-Betrieb auf den 3-Zylinder-Betrieb ein Amplituden verhältnis von 1 : 4,5, was beim Geräusch einen Pegelunter schied von 13dB ausmacht.

In Fig. 5 sind Verläufe der Dämpfung über der Frequenz bei den beiden Betriebszuständen dargestellt. In der Kurve 20 ist der Dämpfungsverlauf beim 6-Zylinder-Betrieb und in der Kurve 21 ist der Dämpfungsverlauf beim 3-Zylinder-Betrieb gezeigt.

Bei einer Optimierung des Dämpfungsverhaltens ist zu beach ten, daß neben der Größe des Volumens die Abmessungen des akustischen Halses für die Dämpfungswirkung entscheidend sind. Je enger und je länger ein Rohrstück ist, desto nie derfrequenter setzt die Dämpfung ein. Ziel der akustischen Bemühung muß es sein, mit der Resonanzfrequenz f_res unter die Anregungsfrequenz zu kommen, weil erst ab dem Wert √2 _* f_res die erwünschte Dämpfung einsetzt.

Daraus ergibt sich die Konsequenz, daß beim Wechsel vom 6- Zylinder-Betrieb auf den 3-Zylinder-Betrieb die Resonanz frequenz des dämpfenden Rohrstücks 1 um den Faktor 3,77 kleiner werden muß, wenn keine Erhöhung des Schallpegels hingenommen werden soll. Dies wiederum erzwingt Änderungen der Abmessungen des Dämpfungshalses, bzw. der Länge und der Querschnittsfläche mit einem Gesamt-Wirkungsfaktor von 14,22. Wie die Fig. 5 zeigt, wäre bei diesem angenommenen Auslegungsfall des 6-Zylinder-Betriebes die Resonanzfre quenz 66Hz, die Dämpfung betrüge bei 150Hz dann 12dB (Kurve 20). Nach der Umschaltung auf 3-Zylinder-Betrieb wäre die Anregungsfrequenz 75Hz und die Dämpfung müßte wegen der um 13dB stärkeren Anregung 25 dB betragen.

Mit der Ansaugvorrichtung nach dem Ausführungsbeispiel wird erreicht, daß die akustisch bewerteten Pegel eingehalten werden, da der 75Hz-Ton um 9,5 dB(A) schwächer bewertet wird als der 150Hz-Ton. Dabei reicht eine Abstimmung auf die Resonanzfrequenz von 22Hz aus, was eine um den Faktor 3 geminderte Frequenz darstellt. Der nun auftretende 75Hz-Ton wird mit 20dB gedämpft (Kurve 21). Das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 ermöglicht so mit eine Verdreifachung der Länge des Dämpferhalses und ei ne Drittelung des Flächenquerschnitts und führt damit zu dem gewünschten Erfolg.

Claims

1. Ansaugvorrichtung für einen Verbrennungsmotor - bei dem im Bereich des Ansaugweges Mittel zur Veränderung der Durchströmungsgeometrie für die angesaugte Luft vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß

- im Ansaugweg ein Rohrstück (1) mit mindestens zwei Innen rohren (3, 4) versehen ist, wobei deren Durchmesser so bemes sen sind, daß das erste (3) und das zweite Innenrohr (4) im Rohrstück (1) ineinanderschiebbar sind und daß
- Mittel zur Veränderung des Ansaugweges im Rohrstück (1) vorhanden sind mittels denen die Luft entweder das Rohrstück (1) mit den Innenrohren (3,4) parallel durchströmt oder durch die in wechselnder Richtung hintereinander geschalteten Zwi schenräume (9, 10) des Rohrstücks (1) und der Innenrohre (3, 4) sowie durch das innerste erste Innenrohr (3) gelangt.

2. Ansaugvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- das erste Innenrohr (3) fest im Rohrstück (1) verankert ist, wobei mindestens ein Fenster (6) zum Einströmen der Luft in das erste Innenrohr (3) vorhanden ist und daß

- das zweite Innenrohr (4) im Rohrstück (1) mit Öffnungen (7) und Dichtelementen (8) derart über das erste Innenrohr (3) schiebbar ist, daß in der Ausgangslage die Luft parallel durch alle Zwischenräume (9, 10) und das erste Innenrohr (3) strömt und in der Umschaltlage sich die Hintereinanderschal tung folgender Ansaugwege ergibt:

- in Ansaugrichtung durchströmt die Luft einen ersten Zwischenraum (9) zwischen dem Rohrstück (1) und dem zweiten Innenrohr (4),
- am Ende dieses Zwischenraumes (9) strömt die Luft in entgegengesetzter Richtung durch den Zwischenraum (10) zwischen dem ersten (3) und dem zweiten Innenrohr (4) und
- am Ende des zweiten Zwischenraumes (10) gelangt die Luft in das erste Innenrohr (3) und strömt in Ansau grichtung (2) aus dem Rohrstück (1) hinaus.

3. Ansaugvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

- in der Umschaltlage durch das mindestens eine Fenster (6) im ersten Innenrohr (3) und durch das eine Ende des zweiten Innenrohrs (4) ein Verbindungsweg zwischen dem zweiten Zwi schenraum (10) und dem Austrittskanal (Pfeil 2) gestaltet ist, daß
- das zweite Innenrohr (4) mindestens ein Fenster (7) auf weist, zur Verbindung des ersten (9) und des zweiten Zwi schenraums (10) und daß
- am anderen Ende des verschiebbaren zweiten Innenrohres (4) ein Dichtring (8) zur Abdichtung beider Zwischenräume (9, 10) nach außen vorhanden ist.

4. Ansaugvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn zeichnet, daß

- eine Anschlagplatte (5) vorhanden ist, die Öffnungen für die Luft im Ansaugweg aufweist und die ferner den Anschlag für das eine Ende des zweiten verschiebbaren Innenrohres (4) in der Umschaltlage bildet und an der das erste feste Innen rohr (3) gehalten ist.

5. Ansaugvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß

- das zweite Innenrohr (4) an Stützelementen verschiebbar ist, die außen auf dem ersten festen Innenrohr (3) angebracht sind.

6. Ansaugvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß

- das zweite Innenrohr (4) an Stützelementen verschiebbar ist, die innen am Rohrstück (1) angebracht sind.

7. Ansaugvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß

- die für die Verschiebung des zweiten Innenohres (4) notwen digen Schaltimpulse vom Hydrauliksystem eines Kraftfahrzeuges in Abhängigkeit von der aktiven Zylinderzahl des Verbren nungsmotors erzeugt werden.