DE19752142A1

DE19752142A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der akustischen Eigenschaften eines schallführenden Kanals

Info

Publication number: DE19752142A1
Application number: DE1997152142
Authority: DE
Inventors: Rolf Fueser
Original assignee: Filterwerk Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Mann and Hummel GmbH
Priority date: 1997-11-25
Filing date: 1997-11-25
Publication date: 1999-05-27
Also published as: WO1999027332A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der akustischen Eigenschaften eines schallführenden Kanals nach der Gattung des Verfahrens- und des Vorrichtungsanspruchs.

Bei einem aus der DE 38 32 431 A1 bekannten Verfahren und einer Vorrichtung werden Auspuff-Schalldämpferanlagen se parat aufgebaut und hinsichtlich ihrer akustischen Eigen schaften durchgemessen. Hierzu wird in der Richtung der Schallausbreitung ein Lautsprecher in der Schalldämp feranlage positioniert und es werden an unterschiedlichen Stellen mit Mikrofonen Schallschwingungssignale erfaßt.

Durch eine Auswertung dieser Schwingungssignale mittels einer Frequenzanalyse können beim bekannten Verfahren die akustischen Eigenschaften des Schalldämpfers ermittelt werden. Insbesondere können unterschiedliche Betriebstem peraturen des Schalldämpfers durch Berücksichtigung eines entsprechenden Frequenzverschiebungsmaßes in die Auswer tung der Messergebnisse mit einbezogen werden ohne ent sprechende Betriebsbedingungen tatsächlich realisieren zu müssen.

Für sich ist aus dem eingangs genannten Stand der Technik auch bekannt, daß die Schalldämpferanlage durch ein Kunststoffmodell nachgebaut werden kann.

Aufgabenstellung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der akustischen Ei genschaften eines schallführenden Kanals zu schaffen, bei dem auf einfache Weise eine Veränderung und Optimierung der akustisch wirksamen Geometrie möglich ist.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren ist in vorteilhafter Weise geeignet, ausgehend von der gattungsgemäßen Art, die ge stellte Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs zu lösen. Erfindungsgemäß erfolgt die Aus wertung im ersten und im weiteren Meßvorgang durch Be stimmung des Betrags- und der Phasenänderung einer Reihe von Grundschwingungen und einer ausgewählten Anzahl von deren Oberwellen von einem Ende des schallführenden Ka nals zum anderen Ende.

Aus den Abweichungen vom ersten zum weiteren Meßvorgang, hinsichtlich der Betrags- und Phasenänderungen jeweils gleicher Frequenzen, werden in vorteilhafter Weise Kor rekturfaktoren (K, Δϕ) ermittelt, die in auswertbarer Wei se den Unterschied der Meßanordnung unter Betriebsbedin gungen zu einer separierten und gegebenenfalls nachgebil deten Anordnung kennzeichnen. Messergebnisse an geänder ten Geometrien der separierten Anordnung können so auf einfache Weise mit den Korrekturfaktoren beaufschlagt werden, wodurch man eine stark an die Realität angenäher te Betriebsweise simulieren kann.

Bevorzugt wird erfindungsgemäß die Bestimmung der akusti schen Eigenschaften eines Ansaugrohres für einen Verbren nungsmotor als schallführender Kanal durchgeführt, bei dem eine Verzweigung des Ansaugkanals auf Teilströmkanäle entsprechend der Zylinderzahl des Verbrennungsmotors vor handen ist. In dem ersten Meßvorgang wird hier eine tat sächliche Druckschwingung am Verbrennungsmotor in Betrieb jeweils am Anschluß der Teilströmkanäle vor den Ein laßventilen der Zylinder und eine Schallschwingung am An saugschnorchel des Ansaugkanals hinsichtlich Betrag und Phasenlage erfaßt.

Im weiteren Meßvorgang kann in vorteilhafter Weise am vom Verbrennungsmotor separierten Ansaugkanal jeweils ei ne von der Drehzahl abhängige Grundschwingung und ausge wählte Oberwellen der Schallschwingung aus dem ersten Verfahrensschritt über eine Anzahl Zyklen, die der Anzahl (z) der Zylinder entsprechen, am Ansaugschnorchel mittels eines Lautsprechers generiert werden.

Die Erfassung der Frequenzen der zur realistischen Mes sung notwendigen Schwingungen kann im ersten Meßvorgang durch eine Frequenzanalyse (FFT) ermittelt werden.

Es ist zur Ladungsoptimierung von solchen Ansauganlagen bei Verbrennungsmotoren notwendig, optimale Zeitverläufe des Ladungsdrucks an den Zylindern zu erhalten, wobei der versuchstechnische Aufwand zum Erreichen eines Optimie rungszieles in der Regel sehr hoch ist. Aufwendig ist vor allem die Herstellung von Versuchsteilen verschiedener Varianten der Teile des Ansaugtraktes, die zur Annäherung an das Optimum erforderlich sind.

Für den Einsatz am Prüfstand des Verbrennungsmotors ge nügt es nicht, lediglich den Luftraum im Leitungssystem des Ansaugtraktes nachzugestalten. Alle für den Motorbe trieb erforderlichen Teile müssen bei den bekannten Ver fahren vorhanden sein und sie müssen der mechanischen und thermischen Beanspruchung unter Betriebsbedingungen standhalten.

Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens wird der Ansaugtrakt eines Verbrennungsmo tors für die Erfassung des Ersatz-Druckschwingungssignals separiert und in einem Schallmeßraum aufgebaut. Ein Lautsprecher und ein Referenzmikrofon sind am Ausgang des Ansaugtraktes angebracht und die Öffnungen der Teilkanäle am zylinderseitigen Ende des Ansaugtraktes werden jeweils mit Mikrofonen dicht abgeschlossen.

Der Ansaugtrakt besteht hier aus einem Schnorchel, einem Luftfilter, einem Luftmassenmesser, einer Reinluftlei tung, einer Drosselklappe, einem Sammler, einem Schwin grohr, Einströmkanälen und anderen akustischen Bauteilen, wobei der Ansaugtrakt auch aus einem leicht formbaren Stoff, z. B. Kunststoff, nachgebildet sein kann. Die Aus wertung der Mikrofonsignale und die Synthese der Teil schwingungen ist in vorteilhafter Weise mit einer elek tronischen Datenverarbeitungsanlage durchführbar.

Die konstruktive Optimierung des Ansaugtraktes wird hier mit Hilfe einer Lautsprecheranregung durchgeführt. Bei dieser erfindungsgemäßen Anordnung genügen relativ einfa che Versuchsmuster des Ansaugtraktes, die nur den aku stisch wirksamen Luftraum korrekt gestalten, nicht aber die komplette Funktionstauglichkeit erfüllen müssen. Mit relativ wenig Aufwand können somit provisorisch herge stellte Varianten durchgemessen und die dabei gefundenen Optima am Motorprüfstand nachgeprüft werden.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrich tung zur Bestimmung der akustischen Eigenschaften eines schallführenden Kanals wird anhand der Figur der Zeich nung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze eines separierten Ansaug traktes für einen Verbrennungsmotor;

Fig. 2 eine Prinzipskizze eines Ansaugtraktes mit einem Verbrennungsmotor;

Fig. 3 ein Diagramm der am Verbrennungsmotor gemes senen Druckschwingungen des Ladungsdrucks der Zylin der und

Fig. 4 zwei Diagramme der Beträge und Phasen von zwei Teilschwingungen die an der Meßanordnung er faßt werden.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist ein von einem Verbrennungsmotor separier ter Ansaugtrakt 1 gezeigt, der im wesentlichen aus einem Ansaugschnorchel 2, durch den die Rohluft angesaugt wird, einen Luftfilter 3, eine Reinluftleitung 4, eine Drossel klappe 5 und die Teilströmkanäle 6, 7, 8 und 9, an die im Betrieb der Zylinderblock des Verbrennungsmotors mit den jeweiligen Einlaßventilen angefügt ist.

Weiterhin ist ein Lautsprecher 10 vorhanden, der Schall schwingungen erzeugt, die einerseits in den Ansaugschnor chel 2 eintreten und andererseits mit einem Referenzmi krofon 11 gemessen werden. Die Öffnungen der Teilströmka näle 6, 7, 8 und 9 sind mit Objektmikrofonen 12, 13, 14 und 15 versehen und ansonsten in der separierten Meßan ordnung schalldicht verschlossen.

In Fig. 2 ist ein Ansaugtrakt wie in Fig. 1 gezeigt, nur daß hier für einen ersten Meßvorgang ein laufender Verbrennungsmotor 20 an die Teilströmkanäle 6 bis 9 ange schlossen ist. Aus Fig. 3 ist ein Zeitdiagramm von Ver läufen 16, 17, 18 und 19 von Druckschwingungen darge stellt, die mit einer z-kanaligen Druckmessung in den Teilströmkanälen vor den Einlaßventilen in diesem ersten Meßvorgang unter Betriebsbedingungen ermittelt worden sind. Die Zahl z = 4 ist durch die Anzahl der Zylinder A, B, C, D vorgegeben. Diese Messung erfolgt zunächst an ei nem Ansaugtrakt mit angeschlossenem Verbrennungsmotor um die tatsächlichen Druckverläufe zu bestimmen.

Alle Druckverläufe nach der Fig. 3 zeigen die vier Pulse während eines Motorzyklus, wobei der zum jeweiligen Zy linder gehörende Puls etwas markanter ausfällt und in der Fig. 2 durch einen senkrechten Strich gekennzeichnet ist. Die Zündfolge der Zylinder ist beim gezeigten Aus führungsbeispiel A, C, D, B. Die Amplituden und die Lagen der Scheitelwerte der Pulse schwanken um einen bestimmten Betrag. Diese Schwankungen können dazu führen, daß nicht an allen Zylindern der optimale Ladungsdruck eingefangen wird.

Um einen optimalen Aufbau des Ansaugtraktes, mit dem Ziel einer optimalen Aufladung für alle Zylinder zu erreichen, können die erforderlichen Maßnahmen aus den Druckverläu fen 16 bis 19 herausgelesen werden.

Die zeitlichen Verläufe 16 bis 19 des Drucks werden wäh rend eines Motorzyklusses mit den Taktphasen a, b, c, d, entsprechend dem Kurbelwinkel gemäß Fig. 4 bei einem 4-zylindrigen Verbrennungsmotor gemessen. Diese bilden die Basis für die Bestimmung der Frequenz, vorzugsweise mit tels einer schnellen Fourier-Transformation (FFT), und der rechnerischen Ermittlung des jeweiligen Betrags und Phase der zur weiteren Messung notwendigen Schallschwin gungen. Die relativen Bezüge der Betrags- und Phasenände rung einer ausgewählten Frequenz an der Meßanordnung un ter Betriebsbedingungen ergeben sich wie folgt:

a_M = A_Druck/ A_{Mikro 11} und Δϕ_M = Δϕ_{Mikro 11} - Δϕ_Druck (1)

wobei A_Druck und Δϕ_Druck die Messung an einem der jeweiligen Teilströmkanäle 6 bis 9 und A_Mikro und Δϕ_{Mikro 11} die Messung am Referenzmikrofon 11 darstellt. Damit sind die Bezie hungen der Schallgrößen am laufenden Verbrennungsmotor bekannt.

Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, die zuvor am lau fenden Verbrennungsmotor gefundenen akustischen Größen unter der Bedingung eines stehenden Motors erneut zu mes sen. Diese Bedingung wird mit einem Aufbau nach der Fig. 1 erfüllt. Stellten die am laufenden Verbrennungsmotor gemessenen Größen das Produkt aus den akustischen Eigen schaften der Anordnung und der Wirkung der Schallerreger quelle (Verbrennungsmotor) dar, so sind die hier gemesse nen Größen nur noch Repräsentanten der akustischen Über tragungseigenschaften.

Die mit Mikrofonen 11 und 12 bis 15 gemessenen Schallsi gnale werden nun in gleicher Weise wie oben beschrieben analysiert. Am Beispiel des Mikrofons 12 ergibt dies:

a_F = A_{Mikro 12}/A_{Mikro 11} und Δϕ_F = Δϕ_{Mikro 11} - Δϕ_{Mikro 12} (2),

wobei A_{Mikro 12} und Δϕ_{Mikro 12} die Messung an dem Teilströmka nal 9 und A_{Mikro 11} und Δϕ_{Mikro 11} die Messung am Referenzmi krofon 11 darstellt.

Aus einem Vergleich der Beziehungen (1) und (2) ergibt sich ein Korrekturfaktor für den jeweiligen Betrag einer Frequenz n, k_n = a_F/a_M und für die jeweilige Phase, ΔΔϕ_n = Δϕ_F - Δϕ_M.

Bei einer Veränderung der Geometrie des Ansaugtraktes nach Fig. 1 werden alle Ergebnisse, die nach der Bezie hung (2) ermittelt worden sind, mit den beschrieben Kor rekturfaktoren k_n und ΔΔϕ_n beaufschlagt und daraus Druck zeitsignale entsprechend Fig. 3 synthetisiert, die eine realistische Aussage über das jeweilige akustische Ver halten des Ansaugtraktes erlauben. Nach einer Reihe vom Messungen und/oder Veränderungen des Ansaugtraktes kann der oben beschriebene Vorgang der Bestimmung der Korrek turfaktoren k_n und ΔΔϕ_n wiederholt und damit die Meßge nauigkeit verbessert werden.

Die Lautsprecheranregung geschieht mit dem vom Verbren nungsmotor abgebauten und in einem Schallmeßraum wieder vollständig aufgebauten Ansaugtrakt 1 nach der Fig. 1. Zur vollständigen Rekonstruktion des Ansaugtraktes sind eventuell alle Bauelemente notwendig, die zum komplexen Schallschwingungssystem beitragen, z. B. Schnorchel 1, Luftfilter 2, Luftmassenmesser, Reinluftleitung 4, Dros selklappe 5 und Einströmkanäle 6 bis 9 sowie ggfs. weite re akustische Elemente.

Die Ergebnisse der oben beschriebenen Messung sind, bei einer Darstellung in der komplexen Ebene, pro angeregter Frequenz des Lautsprechers 10 vier Vektoren, je einer für einen der 4 Übertragungswege.

Aus Fig. 4 sind im linken Teil die Erregergröße 20 als Vektor und die Antwortgrößen 21 (Zylinder A), 22 (Zylinder B), 23 (Zylinder C) und 24 (Zylinder D) an den Teilströmkanälen 6 bis 9 ebenfalls als Vektoren zu ent nehmen. Bei der linken Darstellung handelt es sich um ei ne beispielhafte Erregerfrequenz von 100 Hz und bei der rechten Darstellung mit der Erregergröße 30 und den Ant wortgrößen 31 (Zylinder A), 32 (Zylinder B), 33 (Zylinder C) und 34 (Zylinder D) um eine Erregerfrequenz von 200 Hz.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der akustischen Eigenschaften eines schallführenden Kanals, bei dem

- in einem Meßvorgang die tatsächlichen Schallverhält nisse unter Betriebsbedingungen des schallführenden Ka nals (1) ermittelt werden,
- für einen weiteren Meßvorgang zumindest Teile des schallführenden Kanals (1) in einer separaten Meßanord nung aufgebaut werden und bei dem
- vorgegebene Schallschwingungen an einem Ende des Ka nals (1) angeregt werden und am anderen Ende im Verhält nis zum Eingangssignal ausgewertet werden, dadurch ge kennzeichnet, daß
- die Auswertung im ersten und im weiteren Meßvorgang durch Bestimmung des Betrags- und der Phasenänderung ei ner Reihe von Grundschwingungen und einer ausgewählten Anzahl von deren Oberwellen von einem Ende des schallfüh renden Kanals (1) zum anderen Ende erfolgt und daß
- aus den Abweichungen vom ersten zum weiteren Meßvor gang, hinsichtlich der Betrags- und Phasenänderungen je weils gleicher Frequenzen, Korrekturfaktoren (k, Δϕ) er mittelt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Bestimmung der akustischen Eigenschaften eines An saugrohres (1) für einen Verbrennungsmotor als schallfüh render Kanal durchgeführt wird, bei dem eine Verzweigung des Ansaugkanals auf Teilströmkanäle (6, 7, 8, 9) entspre chend der Zylinderzahl (z) des Verbrennungsmotors vorhan den ist, daß
- in dem ersten Meßvorgang eine tatsächliche Druck schwingung am Verbrennungsmotor in Betrieb jeweils am An schluß der Teilströmkanäle (6, 7, 8, 9) vor den Einlaßven tilen der Zylinder und eine Schallschwingung am Ansaug schnorchel (2) des Ansaugkanals (1) hinsichtlich Betrag und Phasenlage erfaßt wird, daß
- im weiteren Meßvorgang am vom Verbrennungsmotor sepa rierten Ansaugkanal (1) jeweils eine von der Drehzahl ab hängige Grundschwingung und ausgewählte Oberwellen der Schallschwingung aus dem ersten Verfahrensschritt über eine Anzahl Zyklen, die der Anzahl (z) der Zylinder ent sprechen, am Ansaugschnorchel mittels eines Lautsprechers (10) generiert werden und daß
- bei einer Veränderung der Geometrie des separierten An saugkanals (1) die Messergebnisse mit den Korrekturfakto ren (k ϕ) beaufschlagt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß

- im ersten Meßvorgang die Grundschwingungen und die zu gehörigen Oberwellen durch eine Frequenzanalyse (FFT) er mittelt werden.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Ansaugtrakt (1) des Verbrennungsmotors für die Er fassung des Ersatz-Druckschwingungssignals separiert und in einem Schallmeßraum aufgebaut ist und daß
- ein Lautsprecher (10) und ein Referenzmikrofon (11) am Ausgang des Ansaugschnorchels angebracht sind und die Öffnungen der Teilströmkanäle (6, 7, 8, 9) am zylinderseiti gen Ende des Ansaugtraktes (1) jeweils mit Mikrofonen (12, 13, 14, 15) dicht abgeschlossen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Ansaugtrakt (1) aus einem Schnorchel (2), einem Luftfilter (3), einem Luftmassensensor, einer Reinluft leitung (4), einer Drosselklappe (5), einem Sammler, ei nem Schwingrohr, Teilströmkanälen (6, 7, 8, 9) und anderen akustischen Bauteilen besteht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn zeichnet, daß

- der Ansaugtrakt (1) im Schallmeßraum aus einem leicht formbaren Stoff, z. B. Kunststoff, nachgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Auswertung der Mikrofonsignale (11, 12, 13, 14, 15) mit einer elektronischen Datenverarbeitungsanlage durch führbar ist.