DE60006623T2

DE60006623T2 - Aktiver abgestimmter Helmholtz Resonator mit gezwungener Response

Info

Publication number: DE60006623T2
Application number: DE60006623T
Authority: DE
Inventors: Ian R. Chatham McLean
Original assignee: Siemens VDO Automotive Inc
Current assignee: Continental Tire Canada Inc
Priority date: 1999-09-16
Filing date: 2000-09-14
Publication date: 2004-09-23
Anticipated expiration: 2020-09-15
Also published as: DE60006623D1; EP1085201B1; EP1085201A3; EP1085201A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Geräuschdämpfungsvorrichtung für ein Lufteinlasssystem; insbesondere betrifft die Erfindung einen Helmholtz-Resonator zur Erzeugung einer erzwungenen Reaktion.
Verbrennungsmotoren erzeugen ein unerwünschtes Ansauggeräusch, welches sich nachteilig auf das Ausgangsdrehmoment und den volumetrischen Wirkungsgrad des Motors auswirkt. Das vom Motor erzeugte Ansauggeräusch hängt von der speziellen Konfiguration des Motors ab und wird von solchen Faktoren beeinflusst, wie der Zylinderzahl, dem Volumen und der Form des Ansaugluftsammlers und der Ansaugkanäle und anderen Parametern des Einlasssystems. Das Ansauggeräusch wird durch eine Druckwelle verursacht, die sich vom Brennraum weg in Richtung des Einlasses des Lufteinlasssystems fortpflanzt. Das Ansauggeräusch kann vermindert und die Motorleistung kann erhöht werden, wenn eine sich in Richtung des Brennraums fortpflanzende Welle erzeugt wird, die bezüglich der Geräuschwelle um 180° phasenverschoben ist. Zu diesem Zweck wurden Geräuschdämpfungsvorrichtungen entwickelt.
Ein Helmholtz-Resonator ist eine häufig verwendete Geräuschdämpfungsvorrichtung. Der Helmholtz-Resonator erzeugt eine Druckwelle, die Geräuschwellen des Motors erster Ordnung entgegenwirkt, welche die größten negativen Auswirkungen auf die Motorleistung haben. Helmholtz-Resonatoren liefern normalerweise eine passive Reaktion, die auf eine bestimmte Bandbreite des Geräuschs ausgerichtet ist. Da der Helmholtz-Resonator normalerweise eine passive Reaktion liefert, treten Verluste auf, welche die Gesamtwirksamkeit des Resonators beeinträchtigen, indem eine Druckwelle erzeugt wird, die eine schmalere Bandbreite und eine kleinere Amplitude aufweist, als es erwünscht ist. Es wurden variable Helmholtz-Resonatoren entwickelt, bei denen sich das Volumen des Resonators ändert, so dass sich die Bandbreite ändert, bei welcher der Resonator das Geräusch dämpft. Durch diese variablen Resonatoren werden jedoch nicht die passiven Verluste vermieden, die mit dem Helmholtz-Resonator verknüpft sind. Dementsprechend ist es wünschenswert, die Bandbreite eines Helmholtz-Resonators zu vergrößern, um das Geräusch noch stärker zu dämpfen und die Leistung des Motors zu erhöhen.
Im US-Patent US-A-5.229.556 wird ein System zur Verwendung bei der Unterdrückung des von der Abgasanlage eines Fahrzeugs ausgesendeten Geräuschs beschrieben.
Im US-Patent US-A-5.571.239 wird eine Geräuschsteuereinrichtung für einen Verbrennungsmotor beschrieben.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG UND VORTEILE
Die vorliegende Erfindung stellt einen Helmholtz-Resonator bereit, der eine Kammer umfasst, die wenigstens teilweise einen Hohlraum definiert. Die Kammer weist einen Hals auf, welcher einen Durchgang definiert, der mit dem Hohlraum kommuniziert. Die Kammer und der Hals erzeugen eine passive Reaktion auf eine Schallwelle, die von dem Verbrennungsmotor erzeugt wird. Die Schallwelle wirkt sich negativ auf die Motorleistung aus. In der Kammer ist ein aktiver Resonator angeordnet. Der aktive Resonator erzeugt eine erzwungene Reaktion zur Ergänzung der passiven Reaktion und Vergrößerung der Bandbreite der die Geräuschdämpfung bewirkenden Druckwelle.
Der Helmholtz-Resonator kommuniziert mit einem Abschnitt eines Lufteinlasssystems, der einen Durchgang definiert, welcher die Schallwelle trägt. An den aktiven Resonator, welcher vorzugsweise ein Lautsprecher ist, ist ein Treiber angeschlossen, um den Lautsprecher anzusteuern und die erzwungene Reaktion zu erzeugen. Der Treiber verwendet eine Signalquelle, bei der es sich um das Motordrehzahlsignal handelt, um die erzwungene Reaktion mit der Motordrehzahl zu synchronisieren. Ein Phasenentzerrer synchronisiert die erzwungene Reaktion mit der Schallwelle, und ein Verstärker verstärkt das Signal zur Ansteuerung des Lautsprechers, bei dem es sich vorzugsweise um einen Tieftonlautsprecher (Woofer) handelt.
Dementsprechend vergrößert die vorliegende Erfindung die Bandbreite der passiven Reaktion des Helmholtz-Resonators, um noch wirksamer das Geräusch zu dämpfen und die Motorleistung zu erhöhen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden beim Studium der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung verständlich, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen zu betrachten ist, wobei:
1 eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors und Einlasssystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine perspektivische Ansicht des Helmholtz-Resonators gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und
3 eine graphische Darstellung von Druckwellen ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
In 1 ist ein Verbrennungsmotor 10 dargestellt. Ein Lufteinlasssystem 12 versorgt den Motor 10 mit Luft zwecks Mischung derselben mit Kraftstoff. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird in einem Brennraum verbrannt. Die Luft wird aus der Atmosphäre über einen Lufteinlass 20 bereitgestellt, welcher Luft über ein Filtergehäuse 18 zuführt. Die Luft strömt entlang eines Durchgangs 24 durch ein Drosselgehäuse 16 hindurch, welches die Luftmenge steuert, die durch den Durchgang 24 zum Motor 10 strömt. Die Luft wird in einen Ansaugkrümmer 14 eingespeist, welcher die Luft anschließend über Kanäle 15 auf die Brennräume verteilt. Während des Verbrennungsvorgangs werden im Einlasssystem 12 Geräuschdruckwellen N erzeugt, welche zurück in die Brennräume reflektiert werden und die Motorleistung beeinträchtigen.
Es ist ein Helmholtz-Resonator 28 dargestellt, der mit dem Durchgang 24 kommuniziert, um geräuschdämpfende Druckwellen zu erzeugen, welche die Geräuschdruckwellen N wenigstens teilweise unterdrücken. Das Motorgeräusch erster Ordnung, oder das am meisten unerwünschte Motorgeräusch, hängt mit der Drehzahl des Motors zusammen. Helmholtz-Resonatoren sollen das Geräusch erster Ordnung dämpfen. Die Frequenz, mit der das Motorgeräusch erster Ordnung auftritt, beträgt: Anzahl der Zylinder/2 × Motordrehzahl/60.
Der Helmholtz-Resonator, welcher in 2 dargestellt ist, umfasst eine Kammer 30, welche einen Hohlraum 32 definiert. Ein Hals 34, welcher als eine rohrförmige Konstruktion dargestellt ist, erstreckt sich von der Kammer 30 aus und kommuniziert mit dem Hohlraum 32. Das durch den Hohlraum 32 definierte Volumen und die Fläche des Halses 34 haben einen wesentlichen Einfluss auf die Bandbreite der Geräuschdämpfungsfrequenz. Der Helmholtz-Resonator 28 erzeugt eine passive Reaktion R_p, welche, wie in 3 dargestellt, bezüglich der Geräuschwelle N um ungefähr 180° phasenverschoben ist. Die passive Reaktion R_p weist eine Bandbreite auf, die schmaler als erwünscht ist, und eine Amplitude, die kleiner als erwünscht ist.
Der Resonator 28 ist in einer Position zwischen dem Drosselgehäuse 16 und dem Ansaugkrümmer 14 dargestellt. Doch selbstverständlich kann der Resonator 28 an einer beliebigen Stelle entlang des Einlasssystems 12 angeordnet sein. Vorzugsweise ist der Resonator 28 zwischen dem Drosselgehäuse 16 und dem Ansaugkrümmer 14 angeordnet, da der größte Teil der Geräuschdruckwelle vom Drosselgehäuse 16 zurück zum Ansaugkrümmer 14 reflektiert wird. Wenn der Resonator 28 so wie in 1 dargestellt angeordnet ist, kann ein größerer Teil der Geräuschdruckwelle durch den Resonator 28 gedämpft werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Bandbreite des Resonators 28 vergrößert, indem eine erzwungene Reaktion R_f erzeugt wird, die in 3 dargestellt ist. Die erzwungene Reaktion ergänzt die passive Reaktion R_p, und zusammen sorgen die Reaktionen für eine größere Bandbreite und eine größere Amplitude, als dies bei der passiven Reaktion des Helmholtz-Resonators 28 der Fall ist. Infolgedessen kann ein größerer Teil der Geräuschdruckwelle gedämpft werden. Zu diesem Zweck wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein aktiver Resonator verwendet, vorzugsweise ein Lautsprecher 38, um die erzwungene Reaktion zu erzeugen. Die Kammer 30 umfasst einen Flansch 36, an dem der Lautsprecher 38 befestigt ist. Der Flansch 36 weist eine Öffnung auf, in welcher die Lautsprechermembran 40 angeordnet ist. Der Lautsprecher 38 wird von einem Treiber 50 angesteuert, welcher die Membran 40 so ansteuert, dass sie eine Druckwelle erzeugt, welche die Druckwelle der passiven Reaktion R_p ergänzt. Das heißt, die erzwungene Reaktion R_f ist phasengleich mit der passiven Reaktion R_p. Der Flansch 36 enthält Druckausgleichöffnungen 42, welche den Druck beiderseits des Flansches 36 ausgleichen, um eine einheitliche Funktionsweise des Resonators 28 der vorliegenden Erfindung in unterschiedlichen Höhen und bei sich ändernden atmosphärischen Drücken zu ermöglichen. Die Druckausgleichöffnungen 42 sind genügend klein, um zu verhindern, dass Druckwellen aus dem Hohlraum 32 durch die Druckausgleichöffnungen 42 austreten, so dass die geräuschdämpfende Druckwelle nicht entweicht, sondern zu der Geräuschwelle gelenkt wird. Vorzugsweise besitzen die Druckausgleichöffnungen 42 einen Durchmesser von ungefähr 1/8 Zoll (3,175 mm).
Da der Helmholtz-Resonator 28 das am Motor erzeugte Geräusch erster Ordnung dämpfen soll, umfasst der Treiber 50 vorzugsweise eine Signalquelle 52, welche die Drehzahl des Motors erfasst. Solche Signale werden gewöhnlich von Näherungssensoren erzeugt, welche Einkerbungen an einem Steuerritzel ablesen. Das Drehzahlsignal wird von einem elektronischen Steuergerät (ECU) 58 für Geräte wie den Drehzahlmesser und die Motorsteuerung verwendet. Das Signal der Signalquelle 58 wird zu einem Phasenentzerrer 54 gesendet, welcher den sinusförmigen Ausgang der Signalquelle 52 so anpasst, dass er bezüglich der Geräuschdruckwelle um ungefähr 180° phasenverschoben ist. Der Phasenentzerrer 54 nimmt die Korrektur bezüglich solcher Parameter vor, wie des Verhaltens des Lautsprechers, des Verhaltens des Helmholtz-Resonators in Abhängigkeit vom Volumen und des Verhaltens des Helmholtz-Resonators in Abhängigkeit vom Hals. Diese Parameter können während des Prozesses der Entwicklung des Motors experimentell bestimmt werden. Ein Tonfrequenzverstärker 56 verstärkt das vom Phasenentzerrer 54 kommende Signal, bei dem es sich normalerweise um ein Niederspannungssignal handelt. Das Signal des Tonfrequenzverstärkers 56 steuert den Lautsprecher 38 an, um die erzwungene Reaktion zu erzeugen. Die erzwungene Reaktion R_f und die passive Reaktion R_p, welche eine größere Bandbreite und eine größere Reaktion aufweisen, werden zum Motor 10 zurückgestrahlt, um die Motorleistung zu erhöhen.
Obwohl ein an einem Anschlussstutzen angebrachter Helmholtz-Resonator dargestellt ist, kann die vorliegende Erfindung selbstverständlich auch mit einem in die Leitung eingebauten Helmholtz-Resonator verwendet werden. Die Erfindung wurde auf eine beispielhafte Weise beschrieben, und selbstverständlich soll es sich bei der verwendeten Terminologie um der Beschreibung dienende Begriffe und nicht um eine Einschränkung handeln. Offensichtlich sind angesichts der obigen Lehren viele Modifikationen und Varianten der vorliegenden Erfindung möglich. Daher kann die Erfindung natürlich im Rahmen der beigefügten Ansprüche auf andere Weise praktisch realisiert werden, als es hier speziell beschrieben wurde.

Claims

Ansauggeräuschdämpfungssystem für einen Verbrennungsmotor, welches umfasst: einen Abschnitt eines Lufteinlasssystems (12), der einen Durchgang (24) definiert, in dem sich eine Schallwelle fortpflanzt; einen Helmholtz-Resonator (28), der eine Kammer (30), die wenigstens teilweise einen Hohlraum (32) definiert, und einen Hals (34), der sich von der besagten Kammer (30) aus erstreckt und über den der besagte Abschnitt des besagten Lufteinlasssystems (12) und der besagte Hohlraum (32) miteinander kommunizieren, umfasst, wobei die besagte Kammer (30) und der besagte Hals (34) eine passive Reaktion auf die besagte Schallwelle erzeugen; einen aktiven Resonator (38), der in der besagten Kammer (30) angeordnet ist; und einen mit dem besagten aktiven Resonator (38) verbundenen Treiber (50), der ein Signal erzeugt, um den besagten aktiven Resonator (38) anzusteuern und eine erzwungene Reaktion (R_f) als Ergänzung zu der besagten passiven Reaktion (R_p) zu erzeugen, wobei der besagte Treiber (50) eine Signalquelle (52) umfasst, welche eine Drehzahl des Verbrennungsmotors erkennt, um die besagte erzwungene Reaktion (R_f) bezüglich der besagten Drehzahl zu synchronisieren, dadurch gekennzeichnet, dass die erzwungene Reaktion nur von der Motordrehzahl abhängig ist.
System nach Anspruch 1, wobei die besagte Signalquelle (52) die Motordrehzahl ist.
System nach Anspruch 1 oder 2, wobei der besagte Treiber (50) einen Phasenentzerrer (54) umfasst, um die besagte erzwungene Reaktion (R_f) so zu synchronisieren, dass sie bezüglich der besagten Schallwelle um ungefähr 180° phasenverschoben ist.
System nach Anspruch 1, wobei der besagte Treiber (50) einen Verstärker (56) zur Verstärkung eines Signals von der besagten Signalquelle (52) umfasst.
System nach Anspruch 1, wobei der besagte Durchgang (24) zwischen einem Ansaugkrümmer (14) und einem Drosselgehäuse (16) angeordnet ist.
System nach Anspruch 1, wobei der besagte aktive Resonator ein Lautsprecher (38) ist.
System nach Anspruch 1, wobei der besagte Hals (34) eine rohrförmige Konstruktion ist, die sich von der besagten Kammer (30) aus erstreckt.
System nach Anspruch 6, wobei der besagte Lautsprecher (38) ein Tieftonlautsprecher ist.
System nach Anspruch 1, wobei die besagte Kammer (30) einen Flansch (36) umfasst, an dem der besagte Lautsprecher (38) befestigt ist, und wobei der besagte Lautsprecher (38) eine in einer Öffnung in dem besagten Flansch angeordnete Membran (40) zur Erzeugung der besagten erzwungenen Reaktion (R_f) aufweist.
System nach Anspruch 9, wobei der besagte Flansch (36) wenigstens eine durch ihn hindurchführende Druckausgleichöffnung (42) umfasst, die mit dem besagten Hohlraum (32) kommuniziert.
System nach Anspruch 10, wobei der besagte Flansch (36) gegenüber dem besagten Hals (34) angeordnet ist.
Verfahren zur Geräuschdämpfung in einem Einlasssystem, welches umfasst: a) das Aufnehmen einer Motordrehzahl; b) das Erzeugen eines phasenkompensierten Motordrehzahlsignals; c) das Ansteuern eines Lautsprechers (38) mit einem phasenkompensierten Motordrehzahlsignal (56); d) das Aussenden einer Schallwelle mit dem Lautsprecher (38), um das Geräusch im Einlasssystem zu dämpfen; e) das Verstärken des Motordrehzahlsignals; und f) das Aussenden einer passiven Schallwelle mit einem Helmholtz-Resonator, wobei der Schritt d) die passive Schallwelle ergänzt.
Resonator-Anordnung, welche die Kombination von Helmholtz-Resonator und aktivem Resonator der Ansprüche 1 bis 11 umfasst.