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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Fachgebiet
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Geräuschtechnik zur Regelung von
Auspuffgeräuschen
bei Verbrennungsmotoren und auf Geräusche in den Leitungen von
Luftzufuhrsystemen, insbesondere auf eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Regelung von Geräuschen
mittels Bypass-Rohren oder Kanälen
und Doppelschalldämpfern.
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Beschreibung
des Standes der Technik
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Das
am häufigsten
angewendete Verfahren zur Regelung von aus Verbrennungsmotoren herrührenden
Geräuschen
besteht in der Verwendung von Schalldämpfern. Die Drehzahl von Kraftfahrzeugmotoren
variiert beachtlich, und die Hauptfrequenzkomponenten der Auspuffgeräusche variieren
gemäß der Motordrehzahl.
Es ist daher sehr schwierig, einen Schalldämpfer zu konstruieren, der
wirkungsvoll innerhalb eines breiten Drehzahlbereichs betrieben werden
kann. Im allgemeinen sind herkömmliche Schalldämpfer so
ausgelegt, dass das Auspuffgas durch ein aufwendiges Leitungssystem
geführt
wird, das im wesentlichen einen Fließwiderstand für das Auspuffgas
erzeugt und so den Gegendruck erhöht, der einen reibungslosen
Gasaustritt aus dem Motor verhindert und schließlich den Wirkungsgrad des
Motors herabsetzt.
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In
der Tat lösen
Motorradfahrer manchmal die Verbindung zwischen dem Motor und dem
Schalldämpfer,
um das daraus resultierende ungeheuere Geräusch und die erhöhte Motorkraft
genießen
zu können.
Es ist nicht einfach, dieses Problem zu lösen, da eine Reduzierung des
Auspuffgasgeräusches
in direkter Beziehung zu einem erhöhten Gegendruck und einer reduzierten
Motorkraft steht.
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Zu
neueren Untersuchungen der Geräuschregelung
gehörten
Studien über
eine aktive Regelung der Auspuffgasgeräusche, um die oben beschriebenen
Nachteile der passiven Geräusch-regelverfahren
zu eliminieren, um so den Wirkungsgrad des Motors zu erhöhen und
den Gegendruck auf ein Minimum zu reduzieren. Diese Studien über eine
aktive Regelung wurden auch auf die Geräuschreduzierung in den Leitungen
von Luftzufuhrsystemen, wie z.B. Klimaanlagen, angewandt.
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Nach
einer Ausführungsform
des vorgeschlagenen aktiven Regelsystems für Auspuffgeräusche wird
ein Geräuschmessmikrofon
in einem Auspuffrohr angeordnet. Das durch das Mikrofon aufgenommene
Geräusch
wird an eine Regeleinheit weitergeleitet, die ein Ausgangssignal über Regelmittel an
einen Lautsprecher weiterleitet, der näher an einem Ausgang angeordnet
ist als das Mikrofon. Ein geregeltes Geräusch, das die gleiche Stärke ausweist
wie das ursprüngliche
Geräusch,
aber mit einer dem ursprünglichen
Geräusch
entgegensetzten Phase, wird durch den Lautsprecher erzeugt; das
ursprüngliche
Geräusch
und das geregelte Geräusch dürfen miteinander
interferieren, so dass das aus dem Auspuff emittierte Geräusch reduziert
wird.
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Obwohl
derartige aktive Geräuschregelverfahren
in einem Labor erfolgreich sein können, sind sie wegen folgender,
noch zu lösender
Probleme noch nicht kommerziell bei einem eigentlichen Fahrzeug
angewandt worden:
- (1) Es muss ein Hochleistungslautsprecher
zur Regelung eines starken Auspuffgeräuschs eines Fahrzeuges vorgesehen
werden. Weiterhin muss der Lautsprecher vergrößert werden, damit das Geräusch mit
der erforderlichen niedrigen Frequenz erzeugt werden kann. Es ist
schwierig, einen kleinen, leichten Hochleistungslautsprecher herzustellen;
dies sind die zu erfüllenden
Anforderungen in Bereichen, wo Auspuffgeräusche in Fahr zeugen erzeugt
werden. Die Herstellung eines solchen Lautsprechers ist unwirtschaftlich.
- (2) In einem Kraftfahrzeug mangelt es an Platz, um einen solchen
Lautsprecher mit beachtlicher Größe und beachtlichem
Gewicht anzuordnen. Die unteren Elemente bestehender Fahrzeuge müssen wesentlich
modifiziert werden, und außerdem
ist es schwierig, ein solches Fahrzeug herzustellen und zu warten.
- (3) Fahrzeugauspuffsysteme werden mittels elastischer Elemente,
wie z.B. mittels Gummiringen, angebracht, um die auf das Fahrgestell übertragenen
Schwingungen zu reduzieren. Wenn man einen schweren Lautsprecher
an einem Auspuffsystem anbringt, erhöhen sich aufgrund des zusätzlichen
Gewichts die Schwingungen, und das Auspuffsystem sowie der Lautsprecher
verschleißen
schneller.
- (4) Es wird sich als äußerst schwierig
erweisen, die Haltbarkeit eines Mikrofons und eines Lautsprechers
zu gewährleisten,
die heißen,
oxydierenden Auspuffgasen ausgesetzt sind.
- (5) Ein geregeltes, aus dem Lautsprecher emittiertes Geräusch wird
aufgrund von Beugung und Reflektion rückwärts durch die Rohrleitungen
fließen
und wird zusammen mit dem Bezugsgeräusch von dem stromaufwärts von
dem Auspuffohr angeordneten Mikrofon gemessen. Das System ist daher
naturgemäß sehr kompliziert und
teuer. Wenige Fahrzeughersteller und Verbraucher werden bereit sein,
für ein
derartiges unbedeutendes System Geld auszugeben.
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Die
Dokumente
EP 0 329 165 ,
DE 43 41 951 und
FR 56 165 zeigen ebenfalls
Vorrichtungen zur Regelung von Auspuffgeräuschen bei Verbrennungsmotoren.
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Weitere
Lösungen,
einschließlich
eines Verfahrens zur aktiven Regelung von Auspuffgasen, die aus
einem Verbrennungsmotor oder der Leitung einer Luftzufuhreinheit
herrühren,
sind vorgeschlagen worden, bei denen ein Bypass-Rohr zu Anwendung kommt,
so wie es in der koreanischen Patentschrift No. 1995-2473 (1)
beschrieben ist. Bei einer solchen Vorrichtung wird ein U-förmiges Bypass-Rohr, dessen
Länge variiert
werden kann, an einem Hauptauspuffrohr angebracht. Solche Rohre
werden mit einem Bypass-Bereich versehen, mittels dessen der Hauptaus puffkanal
des Hauptrohres umgangen wird, und anschließend wird der Bypass-Kanal
durch das Bypass-Rohr wieder mit dem Hauptauspuffkanal verbunden.
Der Bypass-Bereich
besteht aus einem Bypass-Rohr mit variabler Länge, das aus einem äußeren und
einem inneren zylindrischen Abschnitt besteht, die teleskopisch
ineinander greifen, sowie aus einem feststehenden Rohr mit feststehender
Länge. Die
Länge des
Bypass-Rohres kann durch ein Betätigungselement
mit einer Betätigungsstange
geändert
werden, die von Signalen gesteuert wird, die auf den durch die Mikrofone
erfassten Geräuschen
basieren.
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Bei
einer solchen Konstruktion ist die Phasendifferenz zwischen den
Hauptgeräuschkomponenten
des durch das feststehende Rohr geleiteten Auspuffgases und den
geregelten Geräuschkomponenten
des durch das Bypass-Rohr geleiteten Auspuffgases auf 180 Grad eingestellt.
Infolgedessen werden die Hauptgeräuschkomponenten durch das geregelte
Geräusch
eliminiert. In einem solchen Fall können die oben aufgeführten Probleme
vermieden werden, da das Geräusch
selbst als geregeltes Geräusch
verwendet wird, ohne dass die Notwendigkeit besteht, zusätzliche
geregelte Geräuschquellen,
wie z.B. einen Lautsprecher, vorzusehen. Allerdings kann das oben
aufgeführte
Verfahren nur die Hauptgeräuschkomponente
und deren Harmonische eliminieren. Es ist daher unmöglich, die
geraden Harmonischen der von dem Motor erzeugten Hauptgeräuschkomponenten
zu regeln und gleichzeitig deren ungerade Harmonischen zu eliminieren,
und das Verfahren kann kein Maß zur
Regelung von Breitbandgeräuschen
vorsehen. Außerdem
ist, wenn sich der Motor mit einer niedrigen Drehzahl dreht, wie
z.B. bei Leerlauf, die Frequenz der Hauptgeräuschkomponente niedrig, und
ihre Wellenlänge
ist groß.
Um eine solche große
Phasendifferenz zwischen dem Geräusch
mit der großen
Wellenlänge
und dem geregelten Geräusch
zu erzeugen, muss die Längendifferenz
zwischen dem Bypass-Rohr
und dem feststehenden Rohr groß sein.
Die Länge
des Bypass-Rohres ist daher zu groß, so dass es für solche
Zwecke nicht geeignet ist.
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Aufgabe der
Erfindung
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht infolgedessen darin,
die oben erwähnten Probleme
zu lösen
und eine Vorrichtung zur Regelung von aus einem Verbrennungsmotor
herrührenden
Auspuffgeräuschen
zu schaffen, indem die Hauptgeräuschkomponente
des Auspuffgases sowie deren ungerade und gerade Harmonischen eliminiert werden,
welche Vorrichtung den Wirkungsgrad des Motors durch Reduzierung
des Gegendrucks des Auspuffgases erhöht und Breitbandgeräusche bei hohen
Motordrehzahlen eliminiert.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
oben aufgerührten
Aufgaben können durch
Schaffung einer Vorrichtung zur aktiven Regelung von Auspuffgeräuschen gemäß Patentanspruch 1,
die folgende Teile aufweist, gelöst
werden: ein Hauptauspuffrohr, ein erstes Bypass-Rohr, das eine variable
Länge aufweist
und mit den beiden Enden des Hauptauspuffrohrs verbunden ist, so
dass ein erster Bypass-Bereich in dem Kanal des Hauptauspuffrohrs
definiert wird, ein zweites Bypass-Rohr, das eine variable Länge aufweist
und mit den beiden Enden des Hauptauspuffrohr verbunden ist, so
dass ein zweiter Bypass-Bereich in dem Kanal des Hauptauspuffrohrs
definiert wird, ein erstes und zweites Betätigungselement, die so betätigt werden,
dass sie die Länge
des ersten bzw. zweiten Bypass-Rohrs
variieren, sowie eine Steuereinheit zur Steuerung der Betätigungselemente.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung
zur aktiven Regelung von Auspuffgeräuschen kann mit einem Schalldämpfer mit
niedrigerem Gegendruck und einem Schalldämpfer mit höherem Gegendruck, die stromabwärts von
dem Hauptauspuffrohr gegabelt sind, und einem Ventil zur selektiven Verbindung
des Hauptauspuffrohrs mit den beiden Schalldämpfern versehen sein, wobei
das Ventil von der Steuereinheit gesteuert wird.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine teilweise geschnittene Vorderansicht einer bekannten Geräuschregelvorrichtung zur
aktiven Regelung von Auspuffgeräuschen
bei Verbrennungsmotoren.
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2 ist
eine teilweise geschnittene Vorderansicht einer ersten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Geräuschregelungsvorrichtung
zur aktiven Regelung von Auspuffgeräuschen in einem Verbrennungsmotor.
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3 ist
eine teilweise geschnittene Vorderansicht einer zweiten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Geräuschregelungsvorrichtung
zur aktiven Regelung von Auspuffgeräuschen in einem Verbrennungsmotor.
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4 ist
eine teilweise geschnittene Vorderansicht einer dritten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Geräuschregelungsvorrichtung
zur aktiven Regelung von Auspuffgeräuschen in einem Verbrennungsmotor.
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5 ist
eine teilweise geschnittene Vorderansicht einer vierten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Geräuschregelungsvorrichtung
zur aktiven Regelung von Auspuffgeräuschen in einem Verbrennungsmotor.
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Die 6 und 7 zeigen
Beispiele eines balgartigen Bypass-Rohres und eines vielstufigen
teleskopischen Bypass-Rohres.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung wird im einzelnen beschrieben.
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(Ausführungsform 1)
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Eine
Vorrichtung 10 zur aktiven Auspuffgeräuschregelung gemäß der ersten
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zur aktiven Regelung von Auspuffgeräuschen in
Verbrennungsmotoren wird in 2 gezeigt.
Die Vorrichtung 10 zur aktiven Regelung von Auspuffgeräuschen weist
ein Hauptauspuffrohr 11, ein erstes U-förmiges Bypass-Rohr 12,
dessen Länge
variabel ist und dessen gegenüberliegende
Enden mit dem Hauptrohr 11 zur Definierung eines ersten
Bypass-Bereiches innerhalb eines Kanals des Hauptauspuffrohrs 11 verbunden
sind, ein zweites U-förmiges
Bypass-Rohr 13, dessen Länge variabel ist und dessen
gegenüberliegende
Enden mit dem Hauptauspuffrohr 11 zur Definierung eines
zweiten Bypass-Bereichs innerhalb eines Kanals des Hauptrohrs 11 verbunden
sind, ein erstes und zweites Betätigungselement 14, 15,
die jeweils das erste und zweite Bypass-Rohr 12, 13 betätigen, sowie
ein Steuerelement 21 zur Steuerung des ersten und zweiten
Betätigungselements 14, 15 auf.
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Das
erste Bypass-Rohr 12 weist einen äußeren zylindrischen Abschnitt 12a und
einen inneren zylindrischen Abschnitt 12b auf, die teleskopisch
ineinander greifen. Das zweite Bypass-Rohr 13 weist einen äußeren zylindrischen
Abschnitt 13a und einen inneren zylindrischen Abschnitt 13b,
die teleskopisch ineinander greifen, auf. Die Längen der Bypass-Rohre werden
infolgedessen durch eine Längenänderung
der Betätigungsstangen 14a, 15a der
Betätigungselemente 14, 15 geändert, die
durch ein Steuersignal des Steuerelementes 21 angetrieben
werden. Balgartige Bypass-Rohre,
deren Länge
problemlos geändert
werden kann, können
anstelle der teleskopischen Rohre verwendet werden. Das erste und
das zweite Bypass-Rohr 12, 13 weisen einen einzelnen
Außenabschnitt
und einen einzelnen Innenabschnitt auf, aber es ist auch möglich, ein
teleskopisches Bypass-Rohr mit einer Vielzahl von teleskopisch ineinandergreifenden
Außen-
und Innenabschnitten kann auch verwendet werden.
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Der
Schalldämpfer 19 ist
beispielsweise ein herkömmlicher
Schalldämpfer
mit hohem Gegendruck und der Schalldämpfer 18 ist ein Schalldämpfer mit
niedrigem Gegendruck mit einem einfachen inneren Aufbau. Anstelle
der Schalldämpfer 18, 19 kann ein
Schalldämpfer
mit Doppelmodulation verwendet werden, der in der Lage ist, die
Auspuffgaskanäle
zu ändern,
d.h. der Schalldämpfer
mit Doppelmodulation kann als allgemeiner Schalldämpfer mit
hohem Gegendruck für
normale Fahrbedingungen und als Schalldämpfer mit niedrigem Gegendruck
betrieben werden. Bei Verwendung eines Schalldämpfers mit Doppelmodulation
ist das Ventil 20 nicht erforderlich; er wird stattdessen
von einem Steuerelement 21 in der Weise gesteuert, dass
er selektiv als allgemeiner Schalldämpfer mit einem hohen Gegendruck
oder als Schalldämpfer
mit einem niedrigen Gegendruck betrieben wird, indem der Auspuffgaskanal
innerhalb des Schalldämpfers
geändert
wird. Außerdem
kann der Schalldämpfer
mit Doppelmodulation automatisch in der Weise geschaltet werden,
dass er selektiv als Schalldämpfer
mit einem hohen Gegendruck oder als Schalldämpfer mit einem niedrigen Gegendruck arbeitet.
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Das
Steuerelement 21 empfängt
und analysiert Signale S aus einer auf dem Motor angeordneten Motorregeleinheit
(ECU) oder einem dort angeordneten Beschleunigungsmesser, oder Signale
aus einem Mikrofon 22 zum Beispiel, das in dem Auspuffrohr 11 vorgesehen
ist. Die Steuereinheit 21 berechnet eine Hauptkomponente des
Motorgeräuschs
und stellt dann die Länge
der beiden variablen Bypass-Rohre 12, 13 ein,
indem sie die Betätigungselemente 14, 15 so
betätigt,
wie dies bei pneumatischen Zylindern der Fall ist.
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Die
Vorrichtung 10 zur aktiven Steuerung von Auspuffgeräuschen gemäß der oben
beschriebenen ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nun noch genauer beschrieben. Auspuffgeräusche werden
durch Explosionen in einem Motor verursacht und umfassen verschiedene
Geräuschkomponenten.
Die Frequenz der Hauptgeräuschkomponente
C ist jedoch im wesentlichen proportional zu der Motordrehzahl pro
Minute (U.p.M.). Wenn zum Beispiel ein 4-Takt-Benzinmotor mit 4
Zylindern sich mit 900 U.p.M. dreht (d.h. 15 Umdrehungen pro Sekunde),
beträgt
die Frequenz der Hauptgeräuschkomponente
30 Hz, da zwei Explosionen pro Umdrehung stattfinden. Die Mehrzahl
der Geräuschkomponenten
umfasst daher im wesentlichen die Hauptgeräuschkomponente C, deren Frequenz den
zweifachen Wert der Motordrehzahl aufweist, sowie Geräuschkomponenten,
deren Harmonischen eine Frequenz aufweisen, die ganzzahlig proportional
ist. In anderen Worten: die Mehrzahl der Geräuschkomponenten hängt von
der Motordrehzahl ab. Versuche mit einem 4-Zylinder-Motor zeigen, dass
die Mehrzahl der Geräuschkomponenten
eine Komponente C2 aufweisen, deren Frequenz den zweifachen Wert
der Motordrehzahl aufweist, sowie eine Komponente C4, deren Frequenz
den vierfachen Wert der Motordrehzahl aufweist. Das Gleichgewicht
zwischen der Komponente C2 mit dem zweifachen Frequenzwert der Motordrehzahl
und der Komponente C4 mit dem vierfachen Frequenzwert der Motordrehzahl
hängt von
den Beanspruchungen und der Motordrehzahl ab.
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Beim
Anfahren, wenn die Motordrehzahl abrupt aus dem Leerlauf heraus
geändert
und das Gaspedal gedrückt
wird, wenn der Motor sich in Neutralstellung befindet, bei anormal
hohen Fahrgeschwindigkeiten oder bei langsamem Stadtverkehr, kann das
Auspuffgas in einem herkömmlichen
Schalldämpfer 19 fließen, indem
von dem Ventil 20 an dem Einlassende des Schalldämpfers Gebrauch
gemacht wird. Folglich strömen
das Auspuffgas und das Geräusch
durch das konventionelle Auspuffsystem. In anderen Worten: eine
aktive Geräuschregelung
findet nicht statt. In diesem Fall wird der Wirkungsgrad des Motors
nicht erhöht.
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Bei
normalen hohen Fahrgeschwindigkeiten werden die Signale S aus dem
in dem Motor angeordneten Beschleunigungsmesser oder der elektronischen
Regeleinheit (ECU) oder die Signale aus dem in dem Auspuffrohr 11 angeordneten
Mikrofon 22 und dergleichen auf die Regeleinheit 21 übertragen
und dort analysiert, wobei die Hauptgeräuschkomponente C berechnet
wird. Im Falle eines 4-Takt-Benzinmotors mit 4 Zylindern ist die
Hauptgeräuschkomponente
C die Komponente C2, deren Frequenz den zweifachen Wert der Motordrehzahl
aufweist. Im Falle eines 4-Talkt-Benzinmotors
mit 6 Zylindern stellt die Hauptgeräuschkomponente C die Komponente
dar, deren Frequenz den dreifachen Wert der Motordrehzahl aufweist.
Nachdem die Hauptgeräuschkomponente
C berechnet ist, wird die Länge
des Bypass-Rohres 12 durch Betätigung des Betätigungselementes 14 (wie
z.B. eines pneumatischen Zylinders) in der Weise eingestellt, dass
die Differenz zwischen der Länge
des Auspuffkanals des Hauptauspuffrohres 11 und der Länge des
Bypass-Kanals des Bypass-Rohres 12, welche von dem Auspuffgas
und dem Geräusch
passiert werden, eine halbe Wellenlänge der Hauptgeräuschkomponente
C beträgt.
Für einen
4-Takt-Benzinmotor
mit 4 Zylindern werden die Komponente C2, deren Frequenz den zweifachen Wert
der Motordrehzahl aufweist – wobei
es sich um die Hauptgeräuschkomponente
C handelt – und
die Geräuschkomponenten,
deren Frequenzen sich in ungeraden Zahlen erhöhen, z.B. wenn sie den dreifachen
oder fünffachen
Wert der Motordrehzahl aufweisen, in dem Verbindungsabschnitt zwischen
dem Hauptauspuffrohr 11 und dem Bypass-Rohr 12 eliminiert.
Außerdem
wird die Geräuschkomponente,
deren Frequenz den zweifachen Wert der Frequenz der Komponente C2
aufweist, wobei es sich um den zweifachen Wert der Motordrehzahl
handelt, durch geregeltes Geräusch
in der Weise eliminiert, dass die Länge des Bypass-Rohres 13 durch
Betätigung
eines Betätigungselementes 15 eingestellt
wird. Das Betätigungselement 15 wird
zusammen mit oder getrennt von dem Betätigungselement 14 betrieben. Das
Auspuffgas kann durch den Schalldämpfer 18 mit dem niedrigen
Auspuffdruck fließen,
der einfach ausgeführt
ist, und wird durch Betreiben des Ventils 20 reibungslos
ausgeblasen. Auf diese Weise werden die verbleibenden Geräusche anderer
breiter Frequenzen geregelt. Wird bei dieser Stufe ein Schalldämpfer mit
Doppelmodulation verwendet, arbeitet er als Schalldämpfer mit
niedrigem Gegendruck und wenig Gegendruck, indem die Kanäle geändert werden.
Eine solche aktive Regelung reduziert den Gegendruck und erhöht den Wirkungsgrad des
Motors.
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Bei
dem oben beschriebenen System sind der Änderungsbereich für die Bypass-Rohrlänge und somit
der regelbare Motordrehzahlbereich beschränkt. Wenn z.B. bei einem 4-Takt-Motor
mit 4 Zylindern das erste Bypass-Rohr 12 so ausgelegt ist, dass
es die Komponente C2, deren Frequenz den zweifachen Wert der Motordrehzahl
aufweist und bei der es sich um die Hauptgeräuschkomponente in einem Motor
mit einer Drehzahl von 2000–4000
U.p.M. handelt, regelt das erste Bypass-Rohr 12 Geräusche mit
ca. 67–133
Hz, während
das zweite Bypass-Rohr 13 Geräusche mit ca. 133–267 Hz
regelt. Bei diesem System werden Geräusche in Motoren mit einer Drehzahl
von 4000 und mehr U.p.M. nicht geregelt. Aber selbst bei Motoren
mit 4000 und mehr U.p.M wird, wenn wenig C4-Komponenten mit einer
Frequenz mit dem vierfachen Wert der Motordrehzahl vorhanden sind,
der regelbare Motordrehzahlbereich verdoppelt, d.h. auf 8000 U.p.M
erhöht,
indem die Komponente C2, deren Frequenz den zweifachen Wert der
Motordrehzahl aufweist in dem zweiten Bypass-Rohr 13 geregelt
wird. Nachdem die Komponente C2, deren Frequenz den zweifachen Wert
der Motordrehzahl aufweist, wobei es sich um die Hauptgeräuschkomponente
C handelt, berechnet ist, wird die Länge des zweiten Bypass-Rohrs 13 durch
Betrieb des Betätigungselementes 15 eingestellt,
so dass die Differenz zwischen der Länge der beiden Kanäle des Hauptauspuffrohrs 11 und
der Länge
des zweiten Bypass-Rohrs 13,
die von dem Auspuffgas und dem Geräusch passiert werden, eine
halbe Wellenlänge
der Komponente C2, deren Frequenz die zweifache Motordrehzahl aufweist
und bei der es sich um die Hauptgeräuschkomponente C handelt, beträgt. Die
Komponente C2, deren Frequenz die zweifache Motordrehzahl aufweist
und bei der es sich um die Hauptgeräuschkomponente C handelt und
diejenigen Geräuschkomponenten,
deren Frequenzen sich in ungeraden Ganzzahlen erhöhen, wie
z.B. um den dreifachen oder fünffachen
Wert der Frequenz der Komponente C2, werden in dem Verbindungsabschnitt
zwischen dem Hauptauspuffrohr 11 und dem Bypass-Rohr 13 eliminiert.
Das Auspuffgeräusch kann
den Schalldämpfer 18 mit
dem niedrigen Auspuffdruck passieren und wird reibungslos durch
Betreiben des Ventils 20 ausgeblasen. Auf diese Weise werden
die verbleibenden Geräusche
mit anderen breiten Frequenzen geregelt. Wird der Schalldämpfer mit
Zweifachmodulation verwendet, arbeitet er als Schalldämpfer mit
niedrigem Auspuffdruck und weniger Gegendruck, indem die darin enthaltenen
Kanäle geändert werden.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zur aktiven
Regelung von Auspuffgeräuschen
kann auch an eine Vorrichtung zur Reduzierung von in einem Kanal
eines Übertragungssystems
erzeugten Geräuschs,
wie z.B. einer in einem Gebäude
vorgesehenen Klimaanlage, angepasst werden. In anderen Worten: wenn
die Schalldämpfer 18 und 19 nicht
in der Vorrichtung 10 zur aktiven Auspuffgeräuschkontrolle
vorgesehen sind, sind das Hauptauspuffrohr 11 und das erste
und zweite Bypass-Rohr in Form eines Hauptluftübertragungskanals und zwei
Bypass-Kanälen
ausgeführt,
und wenn ein Betätigungselement zum
Betreiben eines jeden Bypass-Kanals und ein Regelelement zur Regelung
des Betätigungselements
vorgesehen sind, kann die Vorrichtung 10 zur aktiven Auspuffgeräuschregelung
an eine lärmeliminierende
Vorrichtung in dem Kanal einer Klimaanlage angepasst werden.
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Bei
der oben beschriebenen Ausführungsform
ist das Hauptauspuffrohr 11 nur mit zwei Bypass-Rohren 12, 13 ausgerüstet, aber
wenn erforderlich, können
drei oder mehr Bypass-Rohre vorgesehen werden. Wenn drei oder mehr
Bypass-Rohre vorgesehen werden und wenn die Motordrehzahl zu hoch
ist, um die Komponente C2, deren Frequenz den zweifachen Wert der
Motordrehzahl aufweist, zu eliminieren, werden die Komponente C2
und die Komponenten, deren Frequenzen sich um ungerade Zahlen, wie
z.B. drei oder fünf,
erhöhen,
in dem zweiten Bypass-Rohr und Komponenten, deren Frequenzen das
zweifache des Frequenzwertes der Komponente C2 aufweisen, in dem
dritten Bypass-Rohr eliminiert.
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(Ausführungsform 2).
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Eine
Vorrichtung 20 zur aktiven Auspuffgeräuschregelung gemäß der zweiten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird in 3 gezeigt.
Die Grundbauweise und Grundbetriebsweise der genannten Vorrichtung 30 gemäß der zweiten Ausführungsform
sind identisch mit denen der Vorrichtung 10 zur aktiven
Auspuffgeräuschregelung
gemäß der ersten
Ausführungsform,
mit Ausnahme davon, dass sie ein Hauptauspuffrohr 11 und
ein davon abgezweigtes zweites Auspuffrohr 31 aufweist
und mit einem Ventil 21 versehen ist, das selektiv zwei durch
das Hauptauspuffrohr 11 und das zweite Auspuffrohr gebildete
Auspuffkanäle
miteinander verbindet, und dass sie weiterhin mit einem Schalldämpfer 18,
der einen niedrigen Gegendruck stromabwärts im Hauptauspuffrohr 11 angeordnet
ist und mit einem herkömmlichen Schalldämpfer 19,
der einen hohen Gegendruck aufweist und stromabwärts im zweiten Auspuffrohr 31 angeordnet
ist, versehen ist.
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Beim
Anfahren und wenn mit einer niedrigen Geschwindigkeit gefahren wird,
kann bei dieser Konstruktion das Auspuffgas durch das zweite Auspuffrohr 31 und
den herkömmlichen
Schalldämpfer 19 fließen, indem
das Ventil 32 aktiviert wird. Auf diese Weise fließen das
Auspuffgas und das Geräusch durch
das herkömmliche
Auspuffsystem. In anderen Worten: es besteht keine aktive Geräuschregelung. Hierbei
wird der Wirkungsgrad des Motors nicht erhöht.
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Wenn
mit hohen Geschwindigkeiten gefahren wird, kann das Auspuffgas durch
Aktivierung des Ventils 32 durch das Hauptauspuffrohr 11 fließen. Um das
in das Hauptauspuffrohr 11 fließende Geräusch regeln zu können, wird
die Hauptgeräuschkomponente
C in dem Regelelement 21 analysiert und berechnet, wobei
anschließend
die Betätigungselemente 14, 15 aktiviert
werden. Dadurch werden die Hauptgeräuschkomponente C und diejenigen
Geräuschkomponenten,
deren Frequenzen den drei- und fünffachen
Frequenzwert der Hauptgeräuschkomponente
C aufweisen, von dem ersten Bypass-Rohr 12 geregelt, und
diejenigen Geräuschkomponenten,
deren Frequenz den doppelten Frequenzwert der Hauptgeräuschkomponente
C aufweisen, werden von dem zweiten Bypass-Rohr 13 geregelt.
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Wenn
wenig C4-Komponenten, deren Frequenz bei schnellem Fahren (wie in
der ersten Ausführungsform)
den vierfachen Wert der Motordrehzahl aufweisen, vorliegen, können die
Komponente C2, deren Frequenz den zweifachen Wert der Motordrehzahl
aufweist und diejenigen Geräuschkomponenten,
deren Frequenzen sich in ungeraden Zahlen erhöhen, z.B. wenn sie den drei-
oder fünffachen
Frequenzwert der Komponente C2 aufweisen, durch Einstellung der
Länge des
zweiten Bypass-Rohres 13 eliminiert
werden. In diesem Fall wird der Gegendruck reduziert und der Wirkungsgrad
des Motors wird erhöht.
Bei diesem Beispiel wird ein Hauptauspuffrohr 11 beschrieben,
das nur zwei Bypass-Rohre 12, 13 aufweist. Jedoch
können
drei oder mehr Bypass-Rohre vorgesehen werden, falls erforderlich.
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(Ausführungsform 3)
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Eine
Vorrichtung zur aktiven Auspuffgeräuschregelung gemäß der dritten
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist in 4 dargestellt. Die
Vorrichtung 40 zur aktiven Auspuffgeräuschregelung gemäß der dritten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist ein Hauptauspuffrohr 11 und ein
an das Hauptauspuffrohr 11 in der Weise angeschlossenes
U-förmiges
Bypass-Rohr 12 mit variabler Länge auf, dass ein einfacher
Bypass-Bereich in dem Kanal des Hauptauspuffrohrs 11 geschaffen wird.
Die genannte Vorrichtung 10 weist zwei Schalldämpfer 18, 19,
die stromabwärts
von dem Hauptauspuffrohr 11 abgezweigt sind, sowie ein
Ventil 20, das selektiv die beiden Schalldämpfer 18, 19 mit
dem Hauptauspuffrohr 11 verbindet, auf.
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Bei
dieser Ausführungsform
kann das Auspuffgas beim Starten des Motors oder wenn mit einer niedrigen
Geschwindigkeit gefahren wird, durch den herkömmlichen Schalldämpfer 19 fließen, indem
von dem Ventil 20 in einem Einlass des Schalldämpfers Gebrauch
gemacht wird. Auf diese Weise fließen das Auspuffgas und das
Geräusch
durch das herkömmliche
Auspuffsystem. In anderen Worten: eine aktive Geräuschregelung
findet nicht statt, und der Wirkungsgrad des Motors wird nicht erhöht. Im Gegenteil,
wie bei dem Stand der Technik gemäß 1, werden
die Komponente C2, deren Frequenzen den zweifachen Wert der Motordrehzahl
aufweisen und die Geräuschkomponenten,
deren Frequenzen sich in ungeraden Zahlen in der Weise erhöhen, dass
sie z.B. den drei- oder fünffachen
Wert der Frequenz der Komponente C2 aufweisen eliminiert, indem
das Betätigungselement 14 aktiviert
und die Länge
des Bypass-Rohres 12 eingestellt wird.
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Diese
Ausführungsform
ist praktisch, wenn wenig C4-Komponenten mit einer Frequenz mit
dem vierfachen Motordrehzahlwert vorliegen. Weiterhin kann das Geräusch in
einfacher Weise reduziert werden, indem zwei Schalldämpfer 18, 19,
die stromabwärts
von dem Hauptauspuffrohr 11 abgezweigt sind, und ein Ventil 20,
das selektiv das Hauptauspuffrohr 11 und die beiden Schalldämpfer 18, 19 miteinander verbindet,
vorgesehen werden. In diesem Fall kann auch ein Schalldämpfer mit
Doppelmodulation verwendet werden.
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(Ausführungsform 4)
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Eine
ein Auspuffgeräusch
regelnde Vorrichtung 50 gemäß einer vierten Ausführungs form
der vorliegenden Erfindung zur Geräuschregelung in einem Kanal
eines luftzuführenden
Systems, wie z.B. in einer Klimaanlage für ein Gebäude, ist in 5 dargestellt.
Bei dieser Ausführungsform
sind ein U-förmiger
erster und weiter Bypass-Kanal 53, 55 in dem
Hauptluftzufuhrkanal 51 vorgesehen, und die Länge der
Bypass-Kanäle 53, 55 ist
feststehend und nicht variabel, was sich von der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung unterscheidet.
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Weiterhin
fehlen in dieser Ausführungsform die
Betätigungselemente 14, 15,
die beiden Schalldämpfer 18, 19,
das Ventil 20 und das Regelelement 21. Der Grund
hierfür
besteht darin, dass die Größe eines
Luftzufuhrsystems mit einem Gebläse
zur Luftzufuhr an den Hauptkanal 51 bei Klimaanlagen für Gebäude fast
konstant ist und dass auch die in diesen Systemen erzeugte Hauptgeräuschkomponente im
wesentlichen konstant ist. Die Hauptgeräuschkomponente bei diesen Luftzufuhrsystemen
kann während
des Entwurfs- und Herstellungsstadiums gemessen und/oder berechnet
werden.
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Die
Länge des
ersten Bypass-Rohres 53 wird so ausgewählt, dass der Längenunterschied zwischen
den durch den Luftzufuhrkanal 51 und die Bypass-Kanäle 53 sich
erstreckenden Luftzufuhrleitungen in deren Verbindungsabschnitten
der halben Wellenlänge
des Hauptgeräuschs
entspricht. Auf diese Weise werden die Hauptgeräuschkomponente und diejenigen
Geräuschkomponenten,
deren Frequenzen sich um ungerade Zahlen erhöhen (d.h. den drei- oder fünffachen
Frequenzwert der Hauptgeräuschkomponenten
annehmen) durch dem U-förmigen
ersten Bypass-Kanal 53 eliminiert.
Durch die richtige Auswahl der Länge
des zweiten Bypass-Kanals 55 kann
außerdem
diejenige Geräuschkomponente,
deren Frequenz den zweifachen Frequenzwert der Hauptgeräuschkomponente
aufweist, eliminiert werden. Die Länge des zweiten Bypass-Rohres 55 wird
so ausgewählt,
dass der Längenunterschied zwischen
den Luftzufuhrleitungen entlang des Hauptluftzufuhrkanals 51 und
den zweiten Bypass-Kanälen 55 in
deren Verbindungsabschnitten der halben Wellenlänge derjenigen Komponenten
entsprich, deren Frequenz den zweifachen Frequenzwert der Hauptgeräuschkomponente
aufweist.
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Auf
diese Weise ist es möglich,
eine Geräuschregelungsvorrichtung
zu schaffen, die keine zusätzlichen
Kosten in Bezug auf zusätzliche
Vorrichtungen und komplizierte Wartungs- und Reparaturarbeiten verursacht
und zwar einfach, indem an dem Hauptluftzufuhrkanal ein Bypass-Kanal
vorgesehen wird. Obgleich diese Ausführungsform mit nur zwei Bypass-Kanälen 53, 55 beschrieben
wurde, wird es für
den Fachmann offensichtlich sein, dass mehr als zwei, in der Tat
eine Vielzahl von Bypass-Rohren, vorgesehen werden kann, sollte
dies erforderlich sein.
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Die 6 und 7 zeigen
Beispiele für
ein balgartiges (nicht-teleskopisches) Bypass-Rohr 61 bzw.
für ein
antennenartiges Bypass-Rohr 63. Obwohl dies nicht in den 6 und 7 gezeigt
ist, können
das balgartige Bypass-Rohr 61 und das vielstufige teleskopische
(oder antennen-artige) Bypass-Rohr 63 mit variablen Längen versehen
werden, indem die Längen
der Betätigungsstangen 14a, 15a der
Betätigungselemente 14, 15 variiert
werden, die von den Steuersignalen des Steuerelementes aktiviert
werden (wie bei den zuvor beschriebenen teleskopischen Bypass-Rohren 12, 13).
Das Verhältnis der
maximalen Länge
zu der minimalen Länge
der teleskopischen Bypass-Rohre 12, 13 beträgt ca. 2:1. Im
Gegensatz hierzu kann das Verhältnis
des balgartigen Rohres 61 zu dem vielstufigen teleskopischen Bypass-Rohr 63 in
3:1, 4:1 oder mehr geändert
werden. Auf diese Weise kann der Regelbereich des Geräuschs gemäß der Motordrehzahl
auch vergrößert werden.
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Wie
oben beschrieben, können
durch Bereitstellen eines Systems mit längenvariablen Bypass-Rohren
die Hauptgeräuschkomponente
des Auspuffgases und deren ungerade und gerade Harmonische in dem
Niedrigfrequenzbandbereich geregelt werden, und die Geräusche in
den breiteren Niedrigfrequenzbandbereichen können gemäß dem Reduzierungseffekt der
Umfanggeräusche
reduziert werden. Außerdem
ist die Geräuschstärke der
Geräusche
in einem breiten Bereich im mittleren bis hohen Bandbereich gering
und deren Wellenlängen sind
kurz. Solche Geräusche
sind leicht zu eliminieren. Es ist daher möglich, einen Schalldämpfer mit geradlinigen
Rohren und ein geräuschabsorbierendes
Material zu verwenden, da nur Geräusche mit einem breiten Bereich
im mittleren bis hohen Bandbereich durch einen stromabwärts von
dem Rohr angeordneten Schalldämpfer
mit niedrigem Gegendruck eliminiert werden können.