EP0307639B1 - Arbeitsverfahren zur Schalldämpfung in gasführenden Anlagen mit dynamischen Druckschwankungen im Strömungsmedium, insbesondere in Abgasanlagen von Brennkraftmaschinen - Google Patents

Arbeitsverfahren zur Schalldämpfung in gasführenden Anlagen mit dynamischen Druckschwankungen im Strömungsmedium, insbesondere in Abgasanlagen von Brennkraftmaschinen Download PDF

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EP0307639B1
EP0307639B1 EP88113362A EP88113362A EP0307639B1 EP 0307639 B1 EP0307639 B1 EP 0307639B1 EP 88113362 A EP88113362 A EP 88113362A EP 88113362 A EP88113362 A EP 88113362A EP 0307639 B1 EP0307639 B1 EP 0307639B1
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EP
European Patent Office
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exhaust
throttle flap
gas
internal combustion
section
Prior art date
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EP88113362A
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English (en)
French (fr)
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EP0307639A1 (de
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Raymond Dr. Freymann
Albrecht Keck
Anton Haas
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Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N1/00—Silencing apparatus characterised by method of silencing
    • F01N1/16—Silencing apparatus characterised by method of silencing by using movable parts
    • F01N1/18—Silencing apparatus characterised by method of silencing by using movable parts having rotary movement
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N1/00—Silencing apparatus characterised by method of silencing
    • F01N1/16—Silencing apparatus characterised by method of silencing by using movable parts
    • F01N1/165—Silencing apparatus characterised by method of silencing by using movable parts for adjusting flow area

Definitions

  • the invention relates to a working method for sound absorption in gas-carrying systems according to the type described in the preamble of claim 1.
  • a two-stroke internal combustion engine with an exhaust system in which a rotatable throttle valve is arranged.
  • the throttle valve is in drive connection with an actuator of a control device, the pre-compression pressure in the crankcase of the two-stroke engine serving as the control variable above the engine speed.
  • the throttle valve releases the flow cross-section more and more with increasing exhaust gas pulsation frequency until it is finally kept parallel to the flow of the exhaust gas.
  • a disadvantage of this working method is that, at higher exhaust gas pulsation frequencies, there is no longer a throttling for sound absorption.
  • a silencer device for the exhaust system of an internal combustion engine in which a throttle valve which is eccentrically mounted in a line pipe section is used for sound absorption.
  • the throttle valve which closes the pipe cross section in one position up to a predetermined proportion is pivoted by means of a motor which can be controlled by sensor signals, the degree of opening of the throttle valve being controlled directly or indirectly as a function of the size of the respective exhaust gas mass flow.
  • the disadvantage here is that with increasing exhaust-gas pulsation frequencies, the pipe cross-section is increasingly released and thus the pressure-level-determining pressure waves leading the periodic exhaust gas mass flows are not throttled.
  • a muffler device known from FR-A-360 413 comprises a chamber arranged in the exhaust pipe with exhaust gas outlet openings controlled and opened depending on the engine speed. A not inconsiderable flow resistance and a considerable installation space are the disadvantages of this known device.
  • the device according to the generic US-A-2,320,668 is similarly designed.
  • This known device also comprises a chamber with a gas supply and a gas discharge, the flow cross section of the gas discharge being controlled by means of a motor-driven rotary valve.
  • the rotary valve which is preferably in the exhaust system of an internal combustion engine arranged device is in an unchangeable, mechanical drive connection in particular with the internal combustion engine.
  • the rotary valve is controlled in such a way that the pressure waves arriving at the speed of sound before the exhaust gases cannot enter the gas discharge.
  • the invention has for its object to improve the working method of the known device while avoiding the aforementioned disadvantages such that over a wide operating range of a gas-carrying system, in particular an internal combustion engine, a throttling of the flow cross-section relative to the flowing gas masses which determines the sound level-determining pressure amplitudes is achieved.
  • the advantage of the invention lies in the combination of a throttle valve of the lowest mass with a separate drive motor of small installation space as essential parts of a control device, which by means of external, for. B. parameters taken from the internal combustion engine, a throttling of the flow cross section optimally adjusted to sound level-determining pressure amplitudes relative to the flowing gas masses regulates.
  • the device according to the invention which is characterized by low moving masses, thus works practically without a substantial delay in control. In this way, in particular in the case of a multi-cylinder internal combustion engine, the temporal correlation of mass flows and pressure amplitudes that determine the sound level can be used.
  • the advantage here is frequency-synchronous throttling by means of a throttle valve that closes the flow cross-section up to a predetermined small circumferential gap.
  • Such a working method is particularly effective in exhaust systems of internal combustion engines.
  • the flow cross section of the exhaust system is reduced or throttled only when positive pressure amplitudes occur, but otherwise the flow resistance associated with the throttling is reduced.
  • the throttling based on the frequency of the positive amplitude, with only a temporarily reduced flow cross section, furthermore results in effective sound damping in each speed range of the internal combustion engine over a desired broad frequency range of the exhaust gas pulsations without any significant power-reducing repercussions on the machine with advantageously simple modulation.
  • the invention offers further advantages in combination with a chamber provided upstream of the throttle point in the exhaust system, which can be provided, for example, by a conventional absorption and / or reflection damper. This is used to dampen pressure waves reflected in / at the throttle point, which may reduce their performance-reducing effects.
  • a conventional silencer of the type mentioned above the invention offers the essential advantage of an additional silencer. This can be retrofitted to existing exhaust systems to further reduce the exhaust noise level.
  • the muffler according to claim 1 of the invention can in a combined arrangement with a chamber or a muffler of conventional design by skillful division of the damping components (low and high frequencies) on both damper systems serve to significantly reduce the construction volume and construction costs of the conventional absorption and / or reflection dampers. This, in turn, is advantageous for the design of a smooth underside of the vehicle in passenger cars and for a low outlay on thermal insulation devices and soundproofing material.
  • the invention is preferably implemented by a throttle valve which is driven so as to be pivotable and / or rotatable, an electric motor (stepping motor) forming the actuator in a control device or in a control circuit.
  • the core of the control philosophy here is to regulate the instantaneous angular position of the throttle valve for synchronous assignments dependent on the frequencies of the positive pressure amplitudes via the angular position of the crankshaft based on the TDC of a reference cylinder of the internal combustion engine. From measured absolute angular positions of both devices, the relative angular positions can be regulated depending on the speed depending on the working method of the internal combustion engine, its number of cylinders and the number of exhaust systems assigned to an internal combustion engine.
  • a compensation network For a further, load-dependent synchronization of the silencer throttle valve with the frequencies of the positive pressure amplitudes, further signals are fed to the compensation network, preferably ignition pulse signals.
  • the throttle valve throttles the respective flow cross-section of the exhaust system most strongly at maximum pressure attenuation, at maximum pressure amplitudes.
  • a position that deviates more or less from the aforementioned vertical angular position relative to the pressure amplitude maximum can be favorable for a sound attenuation achieved in interaction of the throttle valve with a conventional silencer of a known type.
  • the compensation network can be equipped with a separate characteristic map which receives ignition pulses and / or speed signals as input signals in connection with load signals.
  • a six-cylinder internal combustion engine 1 shown only schematically, comprises an exhaust system 2 with a manifold 6 divided into sections 3, 4 and 5, into the individual lines 7 provided for cylinder groups flow into.
  • Sections 3 and 4 connect a first chamber 8, which can be a combined absorption / reflection damper.
  • Sections 4 and 5 can also be connected to one another via a second chamber 9, in which a rear silencer or catalytic converter can be arranged.
  • a throttle valve 10 is provided in the section 4 of the manifold 6 and is arranged such that it can be rotated in terms of rotation.
  • the throttle valve 10 is arranged in the pipe section 4, leaving a circumferential annular gap 11.
  • an electric motor (stepping motor) 12 is provided for the throttle valve 10 as an actuator of a control device 13 or a control circuit.
  • the control device 13 comprises a first rotary encoder 15 connected to the crankshaft 14 of the internal combustion engine 1 and a second rotary encoder 16 connected to the armature of the stepping motor 12. Both rotary encoders 15 and 16 transmit their signals ⁇ KW and ⁇ D to a compensation network 17 of the control device 13.
  • the compensation network 17 has further inputs 18 and 19 for ignition pulses and the TDC mark of a reference cylinder of the internal combustion engine 1. Control signals of the compensation network 17 go to the stepper motor 12 via an output 20.
  • the engine 12 is regulated in such a way that it throttles the throttle valve 10 substantially as large as possible when a positive pressure amplitude of an exhaust gas pressure wave arrives, position A in FIG. 2.
  • the flow resistance caused by the free flow restriction of the annular gap 11 causes pressure loss in the exhaust gas. Pressure wave results in a corresponding degree of sound absorption.
  • the motor 12 is further regulated so that the throttle valve 10 more or less releases the flow cross section of the pipe section 4 between two successive pressure amplitude values, positions B and C in FIG. 2 throttled only with positive pressure amplitudes of the dynamic exhaust gas pressure fluctuations and in synchronism with the frequency of these pressure amplitudes.
  • the frequency of the pressure amplitudes or the exhaust gas pressure fluctuations or the exhaust gas pulsations is in a fixed relationship with the frequency of the rotational speed of the crankshaft 14 of the internal combustion engine 1.
  • the pressure amplitudes or Exhaust gas pulsations according to the third harmonic of the basic frequency given by the crankshaft speed.
  • this frequency dependency serves to determine or regulate the instantaneous angular position of the throttle valve 10 relative to the maximum of a pressure amplitude for a corresponding sound attenuation from the angular position of the crankshaft 14 related to the TDC of a reference cylinder via the compensation network 17.
  • the ignition pulses supplied to the compensation network 17 via the input 18 serve for an additional load-dependent control of the throttle valve 10.
  • the current angular position of the throttle valve 10 can thus be selected relative to the positive pressure amplitude maximum between positions A and B according to FIG. 2.
  • a separate map can be provided in the compensation network 17 for this operating point-dependent control.
  • This speed and load or operating point-dependent control of the sound damping by means of the throttle valve 10 can also be used to tune a muffler system formed from a throttle valve 10 and an upstream chamber 8 in such a way that the chamber 8 represented by an absorption and / or reflection damper can be of reduced construction volume and expenditure.
  • the required speed of the rotating throttle valve 10 results from half the frequency of the dominant exhaust gas pulsations occurring according to the number of cylinders per crankshaft revolution, the value of half the frequency taking into account twice the closing of the flow cross section of section 4 of the manifold 6 with one revolution of the rotating throttle valve 10.
  • a relatively wide operating range of the internal combustion engine 1 can be covered with the rotational speeds of the throttle valve 10 derived from the fixed ratio of the frequencies mentioned above.
  • the ratio of the speed of the throttle valve 10 to half the frequency of the exhaust gas pulsations identical to the exhaust surges when the exhaust valves are opened can be selected variably.
  • the working method according to the invention of sound damping by means of a throttle valve 10 driven by the motor 12 in a vibration-dependent and / or rotationally movable manner can serve as an additional device for damping, especially for the exhaust sound level of critical exhaust gas pulsations.
  • the chamber 8 arranged upstream serves to dampen the reflected pulsations in order to further reduce power-reducing effects caused by pressure waves or exhaust gas pulsations reflected at the throttle valve 10.
  • the latter can drive the throttle valve 10 via a flexible shaft (not shown).
  • the compensation network 17 can be designed for analog or digital signal processing, the latter being supplied with the TDC signal from a motor system assigned to the internal combustion engine 1.
  • a further angle encoder can be arranged on the latter.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Control Of Throttle Valves Provided In The Intake System Or In The Exhaust System (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Arbeitsverfahren zur Schalldämpfung in gasführenden Anlagen gemäß der im Oberbegriff des Anspruches 1 beschriebenen Art.
  • Für Abgasanlagen von Brennkraftmaschinen, insbesondere in Kraftfahrzeugen, dienen zur Schalldämpfung Absorptionsdämpfer, Reflexionsdämpfer oder aus beiden kombinierte Einrichtungen. Es ist ferner bekannt, zur Schalldämpfung einen Strömungsquerschnitt bis auf einen vorbestimmten Restquerschnitt zu drosseln. So zeigt beispielsweise die US-A-3 181 648 einen Schalldämpfer mit zur Ebene eines Durchströmquerschnittes winkelig angestellter Drosselklappe. Derartige Schalldämpfer mit Drosselklappen mit im Betrieb unveränderlichen Winkellagen sind nur in einem relativ geringen Frequenzbereich wirksam.
  • Den Nachteil der im Betrieb unveränderlichen Winkellage vermeidet ein aus der US-A-2 492 784 für ein Kraftfahrzeug bekannter Schalldämpfer, der aus einem diffusorartigen Rohr mit einer etwa im größten Querschnitt schwenkbeweglich angeordneten Drosselklappe gebildet ist. Die Stärke der Schalldämpfung wird hierbei vom Fahrer des Kraftfahrzeuges durch willkürliche Änderungen der Winkellage der Drosselklappe bestimmt, wobei für die Änderung je nach den äußeren Umständen im wesentlichen entweder eine hohe Leistungsentfaltung der Maschine oder eine starke Schalldämpfung maßgebend sind. Eine wirksame Schalldämpfung bei geringem Leistungsverlust über einen relativ weiten Drehzahlbereich ist damit nicht erreichbar.
  • Aus der US-A-3 751 921 ist eine Zweitakt-Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage bekannt, in der eine drehbewegliche Drosselklappe angeordnet ist. Die Drosselklappe steht in Antriebsverbindung mit einem Stellantrieb einer Steuereinrichtung, wobei als Steuergröße über der Maschinendrehzahl der Vorverdichtungsdruck im Kurbelgehäuse der Zweitaktmaschine dient. Da der Druck im Kurbelgehäuse mit der Maschinendrehzahl steigt, gibt die Drosselklappe mit zunehmender Abgaspulsations-Frequenz den Strömungsquerschnitt immer mehr frei, bis sie schließlich parallel zur Strömung des Abgases gehalten wird. Nachteilig bei diesem Arbeitsverfahren ist, daß bei höheren Abgaspulsations-Frequenzen eine der Schalldämpfung dienende Drosselung nicht mehr gegeben ist.
  • Aus der EP-A-0 195 762 ist eine Schalldämpfer-Vorrichtung für die Abgasanlage einer Brennkraftmaschine bekannt, bei der eine in einem Leitungsrohrabschnitt außermittig gelagerte Drosselklappe der Schalldämpfung dient. Die in einer Position den Rohrquerschnitt bis auf einen vorbestimmten Anteil verschließende Drosselklappe wird mittels eines durch Sensor-Signale ansteuerbaren Motors verschwenkt, wobei der Öffnungsgrad der Drosselklappe direkt oder indirekt in Abhängigkeit der Größe des jeweiligen Abgasmassenstromes gesteuert wird. Nachteilig hierbei ist, daß mit zunehmenden Abgaspulsations-Frequenzen der Rohrquerschnitt zunehmend freigegeben wird und damit eine Drosselung der den periodischen Abgasmassenströmen vorauseilenden, schallpegelbestimmenden Druckwellen nicht erfolgt.
  • Eine aus der FR-A-360 413 bekannte Schalldämpfer-Vorrichtung umfaßt eine in der Abgasleitung angeordnete Kammer mit in Abhängigkeit der Motordrehzahl zu- und offengesteuerten Abgas-Austrittsöffnungen. Ein nicht unerheblicher Strömungswiderstand sowie ein beträchtlicher Einbauraum sind die Nachteile dieser bekannten Vorrichtung.
  • Ähnlich gestaltet ist schließlich die Vorrichtung nach der gattungsbildenden US-A-2,320,668. Diese bekannte Vorrichtung umfaßt ebenfalls eine Kammer mit einer Gaszufuhrung und einer Gasabführung, wobei der Strömungsquerschnitt der Gasabführung mittels eines motorisch angetriebenen Drehschiebers gesteuert wird. Der Drehschieber der vorzugsweise in der Abgasanlage einer Brennkraftmaschine angeordneten Vorrichtung steht insbesondere mit der Brennkraftmaschine in einer unveränderlichen, mechanischen Antriebsverbindung. Der Drehschieber ist jedoch derart gesteuert, daß die zeitlich vor den Abgasen mit Schallgeschwindigkeit ankommenden Druckwellen nicht in die Gasabführung eintreten können.
  • Diese bekannte Vorrichtung ist bauaufwendig und benötigt zudem den für eine übliche Schalldämpfung mittels Absorptionsdämpfer, Reflexionsdämpfer oder einer aus beiden kombinierten Einrichtung erforderlichen Einbauraum. Weiter nachteilig ist die feste Antriebszuordnung des Drehschiebers, wodurch über einen weiten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine keine den Schallpegel bestimmenden Druckamplituden angepaßte Drosselung des Strömungsquerschnittes relativ zu den strömenden Gasmassen möglich ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Arbeitsverfahren der bekannten Vorrichtung bei Vermeidung der vorgenannten Nachteile derart zu verbessern, daß über einen weiten Betriebsbereich einer gasführenden Anlage, insbesondere Brennkraftmaschine, eine den Schallpegel bestimmenden Druckamplituden angepaßte Drosselung des Strömungsquerschnittes relativ zu den strömenden Gasmassen erzielt ist.
  • Diese Aufgabe wird mit den Kennzeichenmerkmalen des unabhängigen Patentanspruches gelöst. Der Vorteil der Erfindung liegt in der Kombination einer Drosselklappe von geringster Masse mit einem gesonderten Antriebsmotor von geringem Einbauraum als wesentliche Teile einer Regeleinrichtung, die mittels externer, z. B. von der Brennkraftmaschine abgenommener Parameter eine relativ zu den strömenden Gasmassen optimal auf schallpegelbestimmende Druckamplituden abgestellte Drosselung des Strömungsquerschnittes regelt. Die sich durch geringe bewegte Massen auszeichnende Vorrichtung nach der Erfindung arbeitet praktisch somit ohne wesentlichen Regelverzug. Damit kann insbesondere bei einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine auf die zeitliche Korrelation von Massenströmen und schallpegelbestimmenden Druckamplituden abgestellt werden. Der Vorteil hierbei ist in einer frequenzsynchronen Drosselung mittels einer den Strömungsquerschnitt maximal bis auf einen vorbestimmten kleinen Umfangsspalt verschließenden Drosselklappe zu sehen, wobei mit der auf schallpegelbestimmende Druckamplituden frequenzsynchron abgestellten Drosselung eine Schalldämpfung ohne leistungsmindernden Strömungswiderstand erreicht wird.
  • Ein derartiges Arbeitsverfahren ist besonders wirksam in Abgasanlagen von Brennkraftmaschinen. In Verbindung mit dem Anspruch 3 ist dabei vorteilhaft, daß der Strömungsquerschnitt der Abgasanlage nur beim Auftreten positiver Druckamplituden reduziert bzw. gedrosselt wird, ansonsten jedoch der mit der Drosselung verbundene Strömungswiderstand reduziert ist. Die auf die Frequenz der positiven Amplitude abgestellte Drosselung mit lediglich zeitweise reduziertem Strömungsquerschnitt ergibt ferner eine wirksame Schalldämpfung in jedem Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine über einen gewünscht breiten Frequenzbereich der Abgaspulsationen ohne wesentliche leistungsmindernde Rückwirkung auf die Maschine bei vorteilhaft einfacher Aussteuerung.
  • Weitere Vorteile bietet die Erfindung in Kombination mit einem stromauf der Drosselstelle in der Abgasanlage vorgesehenen Kammer, die beispielsweise durch einen herkömmlichen Absorptions- und/oder Reflexions-Dämpfer gegeben sein kann. Diese dient der Dämpfung von in/an der Drosselstelle reflektierten Druckwellen, deren evtl. leistungsmindernde Rückwirkung damit reduziert wird. In Verbindung mit einem herkömmlichen Schalldämpfer der o.g. Bauart bietet die Erfindung den wesentlichen Vorteil eines zusätzlichen Schalldämpfers. Dieser kann bei vorhandenen Abgasanlagen zur weiteren Absenkung des Auspuff-Geräuschpegels nachgerüstet werden. Der Schalldämpfer nach Anspruch 1 der Erfindung kann bei kombinierter Anordnung mit einer Kammer bzw. einem Schalldämpfer herkömmlicher Bauart durch geschickte Aufteilung der Dämpfungsanteile (tiefe und hohe Frequenzen) auf beide Dämpfersysteme dazu dienen, Bauvolumen und Bauaufwand der herkömmlichen Absorptions- und/oder Reflexions-Dämpfer wesentlich zu reduzieren. Dies wiederum ist vorteilhaft für die Gestaltung einer glatten Fahrzeugunterseite bei Personenkraftwagen sowie für einen geringen Aufwand an Wärmedämmeinrichtungen und Schalldamm-Material.
  • Die Erfindung wird vorzugsweise durch eine schwenkund/oder rotationsbeweglich angetriebene Drosselklappe verwirklicht, wobei ein elektrischer Motor (Schrittschaltmotor) den Stellantrieb in einer Regeleinrichtung bzw. in einem Regelkreis bildet. Kern der Regelphilosophie hierbei ist, die momentane Winkellage der Drosselklappe für von den Frequenzen der positiven Druckamplituden abhängig synchrone Zuordnungen über auf den OT eines Referenzzylinders der Brennkraftmaschine bezogene Winkellage der Kurbelwelle zu regeln. Aus gemessenen absoluten Winkellagen beider Einrichtungen können die relativen Winkellagen je nach Arbeitsverfahren der Brennkraftmaschine, deren Zylinderzahl und der Anzahl der bei einer Brennkraftmaschine vorhandenen Zylindergruppen zugeordneten Abgasanlagen entsprechend drehzahlabhängig geregelt werden. Auf die Regeleinrichtung bzw. den Regelkreis bezogen heißt das, daß die relativen Phasenlagen zwischen den zeitlich harmonischen Signalen der Kurbelwellendrehung und den Signalen zur Drosselklappenbetätigung in Abhängigkeit von der Motordrehzahl verändert werden, vorzugsweise über ein Kompensationsnetzwerk. Für eine weitere, lastabhängige Synchronisation der Schalldämpfer-Drosselklappe mit den Frequenzen der positiven Druckamplituden werden dem Kompensationsnetzwerk weitere Signale zugeführt, vorzugsweise Zündimpulssignale.
  • Bei der vorbeschriebenen Regelung wird davon ausgegangen, daß die Drosselklappe zur maximalen Schalldämpfung im wesentlichen bei Druckamplituden-Maximum den jeweiligen Strömungsquerschnitt der Abgasanlage am stärksten drosselt. Für eine Drosselklappe in einem Rohrabschnitt der Abgasanlage bedeutet dies eine zur Rohrachse und damit zur Strömungsrichtung des Abgases senkrechte Winkellage, wobei der zwischen Drosselklappe und Rohrwandung gewählte Ringspalt auf einen bestimmten, ggf. maximalen Abgas-Massendurchsatz ausgelegt ist. Für eine in Wechselwirkung der Drosselklappe mit einem herkömmlichen Schalldämpfer bekannter Bauart erreichte Schalldämpfung kann eine mehr oder weniger von der vorgenannten senkrechten Winkellage abweichende Position relativ zum Druckamplituden-Maximum günstig sein. Zur Erzielung einer derartigen momentanen Winkellage der Drosselklappe relativ zum Maximum der positiven Druckamplitude kann das Kompensationsnetzwerk mit einem gesonderten Kennfeld ausgerüstet sein, das als Eingangssignale Zündimpulse und/oder Drehzahlsignale in Verbindung mit Lastsignalen erhält.
  • Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage für kombinierte Schalldämpfung durch einen herkömmlichen Dämpfer mit einer Drosselklappe,
    Fig. 2
    Stellungen der Drosselklappe bei zwei aufeinanderfolgenden Druckamplituden.
  • Eine lediglich schematisch dargestellte Sechs-Zylinder-Brennkraftmaschine 1 umfaßt eine Abgasanlage 2 mit einer in Abschnitte 3, 4 und 5 unterteilten Sammelleitung 6, in die für Zylindergruppen vorgesehene Einzelleitungen 7 einmünden. Die Abschnitte 3 und 4 verbindet eine erste Kammer 8, die ein kombinierter Absorptions-/Reflexions-Dämpfer sein kann. Weiter können die Abschnitte 4 und 5 über eine zweite Kammer 9 miteinander in Verbindung stehen, in der ein Nachschalldämpfer oder Katalysator angeordnet sein kann.
  • Zwischen den Kammern 8 und 9 ist in dem Abschnitt 4 der Sammelleitung 6 eine drehwinkelbeweglich angeordnete Drosselklappe 10 vorgesehen. Die Drosselklappe 10 ist unter Belassung eines umfänglichen Ringspaltes 11 im Rohrabschnitt 4 angeordnet. Weiter ist für die Drosselklappe 10 ein elektrischer Motor (Schrittschaltmotor) 12 als Stellantrieb einer Regeleinrichtung 13 bzw. eines Regelkreises vorgesehen.
  • Die Regeleinrichtung 13 umfaßt einen ersten, mit der Kurbelwelle 14 der Brennkraftmaschine 1 verbundenen Drehwinkelgeber 15 und einen zweiten, mit dem Anker des Schrittmotors 12 verbundenen Drehwinkelgeber 16. Beide Drehwinkelgeber 15 und 16 geben ihre Signale αKW und αD an ein Kompensationsnetzwerk 17 der Regeleinrichtung 13. Das Kompensationsnetzwerk 17 weist weitere Eingänge 18 und 19 für Zündimpulse und die OT-Marke eines Referenzzylinders der Brennkraftmaschine 1 auf. Über einen Ausgang 20 gehen Stellsignale des Kompensationsnetzwerkes 17 an den Schrittmotor 12.
  • Der Motor 12 wird so geregelt, daß er die Drosselklappe 10 bei Ankunft einer positiven Druckamplitude einer Abgas-Druckwelle im wesentlichen größtmöglich drosselt, Position A in Fig. 2. Der durch den im freien Drosselquerschnitt des Ringspaltes 11 erzielte Strömungswiderstand bewirkte Druckverlust in der Abgas-Druckwelle ergibt ein entsprechendes Maß an Schalldämpfung.
  • Zur Erzielung eines geringen Leistungsverlustes der Brennkraftmaschine 1 wird der Motor 12 weiter so geregelt, daß die Drosselklappe 10 zwischen zwei aufeinanderfolgenden Druckamplituden-Maximalwerten den Strömungsquerschnitt des Rohrabschnittes 4 mehr oder weniger freigibt, Positionen B und C in Fig. 2. Damit wird die Abgasanlage 2 lediglich bei positiven Druckamplituden der dynamischen Abgasdruckschwankungen und synchron mit der Frequenz dieser Druckamplituden gedrosselt.
  • Die Frequenz der Druckamplituden bzw. der Abgas-Druckschwankungen bzw. der Abgas-Pulsationen steht in einem festen Verhältnis mit der Frequenz der Drehzahl der Kurbelwelle 14 der Brennkraftmaschine 1. Bei einer Sechs-Zylinder-Vier-Takt-Brennkraftmaschine 1 beispielsweise erfolgen die Druckamplituden bzw. Abgas-Pulsationen nach der dritten Harmonischen der durch die Kurbelwellendrehzahl gegebenen Grundfrequenz. Diese Frequenzabhängigkeit dient in der Regelphilosophie der Regeleinrichtung 13 dazu, die momentane Winkellage der Drosselklappe 10 relativ zum Maximum einer Druckamplitude für eine entsprechende Schalldämpfung aus der auf den OT eines Referenzzylinders bezogenen Winkellage der Kurbelwelle 14 über das Kompensationsnetzwerk 17 zu bestimmten bzw. zu regeln. Für eine zusätzlich lastabhängige Regelung der Drosselklappe 10 dienen die dem Kompensationsnetzwerk 17 über den Eingang 18 zugeführten Zündimpulse. Damit kann die momentane Winkellage der Drosselklappe 10 relativ zum positiven Druckamplituden-Maximum zwischen den Positonen A und B gemäß Fig. 2 gewählt werden. Für diese betriebspunktabhängige Regelung kann in dem Kompensationsnetzwerk 17 ein gesondertes Kennfeld vorgesehen sein.
  • Diese drehzahl- und last- bzw. betriebspunktabhängige Regelung der Schalldämpfung mittels der Drosselklappe 10 kann ferner zur Abstimmung einer aus Drosselklappe 10 und einer stromauf angeordneten Kammer 8 gebildeten Schalldämpferanlage in der Weise dienen, daß die durch einen Absorptions- und/oder Reflexions-Dämpfer repräsentierte Kammer 8 in ihrem Bauvolumen und Bauaufwand reduziert ausgebildet werden kann.
  • Aus dem weiter oben angegebenen Zusammenhang der Frequenz der Druckamplituden mit der Frequenz der Drehzahl der Kurbelwelle 14 der Vier-Takt-Brennkraftmaschine 1 ergibt sich die erforderliche Drehzahl der rotierend angeordneten Drosselklappe 10 aus der halben Frequenz der entsprechend der Zylinderzahl je Kurbelwellenumdrehung anfallenden, dominanten Abgaspulsationen, wobei mit dem Wert der halben Frequenz das zweimalige Verschließen des Strömungsquerschnittes des Abschnittes 4 der Sammelleitung 6 bei einer Umdrehung der rotierenden Drosselklappe 10 berücksichtigt ist. Mit den aus dem festen Verhältnis der weiter oben genannten Frequenzen abgeleiteten Drehzahlen der Drosselklappe 10 kann ein relativ weiter Betriebsbereich der Brennkraftmaschine 1 abgedeckt werden. Zur Erzielung einer zusätzlichen Dämpfung in anderen Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine 1 kann das Verhältnis der Drehzahl der Drosselklappe 10 zur halben Frequenz der mit den Auslaßstößen beim Öffnen der Auslaßventile identischen Abgaspulsationen variabel gewählt werden.
  • Weiter kann das erfindungsgemäße Arbeitsverfahren der Schalldämpfung mittels einer frequenzabhängig schwing-und/oder rotationsbeweglich vom Motor 12 angetriebenen Drosselklappe 10 als Zusatzeinrichtung zur Dämpfung besonders für den Auspuff-Schallpegel kritischer Abgaspulsationen dienen.
  • Zur weiteren Reduzierung leistungsmindernder Rückwirkungen durch an der Drosselklappe 10 reflektierter Druckwellen bzw. Abgaspulsationen dient die stromauf angeordnete Kammer 8 zur Dämpfung der reflektierten Pulsationen.
  • Um eine hohe thermische Belastung des Motors 12 zu vermeiden, kann dieser die Drosselklappe 10 über eine (nicht gezeigte) biegsame Welle antreiben.
  • Das Kompensationsnetzwerk 17 schließlich kann für analoge oder digitale Signalverarbeitung ausgelegt sein, wobei bei letzterem das OT-Signal von einer der Brennkraftmaschine 1 zugeordneten Motronik zugeführt ist.
  • Schließlich kann bei einer Brennkraftmaschine mit verstellbarer Nockenwelle an dieser ein weiterer Drehwinkelgeber angeordnet sein.

Claims (8)

  1. Arbeitsverfahren zur Schalldämpfung in gasführenden Anlagen, insbesondere in Abgasanlagen von Brennkraftmaschinen,
    - bei dem ein Strömungsquerschnitt der Anlage (Abgasanlage 2) mittels eines drehbeweglich angeordneten Drosselorgans bei Anliegen einer einem Abgasstrom vorauseilendem Abgasschallwelle bzw. Abgas-Druckschwankung verschlossen und den zeitlich nacheilenden Abgas-Massenstrom geöffnet wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    - daß eine in einem Rohrabschnitt (4) der Anlage (Abgasanlage 2) den Strömungsquerschnitt maximal bis auf einen vorbestimmten Umfangsspalt (Ringspalt 11) verschließende, drehbar gelagerte Drosselklappe (10) derart über eine Regeleinrichtung (13) geregelt drehwinkelbeweglich angetrieben wird,
    - daß die Drosselklappe (10) den Strömungsquerschnitt frequenzsynchron mit schallpegelbestimmenden Abgas-Druckschwankungen (Abgasschallwellen) drosselt,
    - wobei einem Kompensationsnetzwerk (17) der Regeleinrichtung (13) neben Steuersignalen der jeweiligen Anlage (OT-, Zündimpuls-Signale d. Bkm 1) Signale eines anlagenseitigen Referenz-Drehwinkelgebers (15) und eines drosselklappenseitigen Drehwinkelgebers (16) zur frequenzsynchronen Drosselung zugeführt werden.
  2. Vorrichtung zur Durchführung des Arbeitsverfahrens in der Abgasanlage einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    - daß die im Rohrabschnitt (4) der Abgasanlage (2) drehwinkelbeweglich angeordnete Drosselklappe (10) in Antriebsverbindung steht mit einem elektrischen Schrittmotor (12) als Stellantrieb der Regeleinrichtung (13), die
    - je einen dem Schrittmotor (12) und dem Triebwerk (Kurbelwelle 14) der Brennkraftmaschine (1) zugeordeten Drehwinkelgeber (15,16) umfaßt, die
    - über Signalleitungen mit dem Kompensations-Netzwerk (17) der Regeleinrichtung (13) in Verbindung stehen, und
    - daß das Kompensations-Netzwerk (17) ferner weitere Eingänge (18,19) für Steuersignale (OT-, Zündimpuls-Signale) aufweist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
    - daß die Drosselklappe (10) den Strömungsquerschnitt im Rohrabschnitt (4) lediglich bei positiven Druckamplituden der dynamischen Druckschwankungen drosselnd regelbar ist.
  4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß das Kompensationsnetzwerk (17) in Signalverbindung steht mit einem gesonderten Kennfeld zur Regelung der Drosselklappe (10) in ihrer momentanen Winkellage relativ zu einem Druckamplituden-Maximum.
  5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    - daß die Drosselklappe in einer dem Strömungsquerschnitt mindestens entsprechenden Öffnung einer Blende angeordnet ist, und
    - die Blende zwischen doppelkonischen Rohrabschnitten der Abgasanlage vorgesehen ist.
  6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß bei einer 4-Takt-Brennkraftmaschine die Drehzahl der Drosselklappe (10) entsprechend der halben Frequenz der entsprechend der Zylinderzahl die Kurbelwellenumdrehung anstehenden dominanten Abgaspulsationen gewählt ist.
  7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    - daß die jeweilige Drehzahl der Drosselklappe (10) in Abhängigkeit der halben Frequenz der dominanten Abgaspulsationen für einen bestimmten Drehzahl-/Lastbereich gewählt ist, und
    - daß in einem anderen Drehzahl-/Lastbereich das Verhältnis der Drehzahl der Drosselklappe zur halben Frequenz der Abgaspulsationen variabel gewählt ist.
  8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, daß ein Absorptions- und/oder Reflexions-Dämpfer oder ein Katalysator als eine stromauf der Drosselklappe (10) angeordnete Kammer (8) dient.
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