EP1318281B1 - Aktiver Schalldämpfer für Abgasanlagen - Google Patents

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EP1318281B1
EP1318281B1 EP20020018051 EP02018051A EP1318281B1 EP 1318281 B1 EP1318281 B1 EP 1318281B1 EP 20020018051 EP20020018051 EP 20020018051 EP 02018051 A EP02018051 A EP 02018051A EP 1318281 B1 EP1318281 B1 EP 1318281B1
Authority
EP
European Patent Office
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piston
silencer according
machine
drive device
sound
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP20020018051
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English (en)
French (fr)
Other versions
EP1318281A2 (de
EP1318281A3 (de
Inventor
Jan Dr. Krüger
Thomas Rose
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Eberspaecher Climate Control Systems GmbH and Co KG
Original Assignee
J Eberspaecher GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by J Eberspaecher GmbH and Co KG filed Critical J Eberspaecher GmbH and Co KG
Publication of EP1318281A2 publication Critical patent/EP1318281A2/de
Publication of EP1318281A3 publication Critical patent/EP1318281A3/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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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
    • F01N1/06—Silencing apparatus characterised by method of silencing by using interference effect
    • F01N1/065—Silencing apparatus characterised by method of silencing by using interference effect by using an active noise source, e.g. speakers

Definitions

  • the present invention relates to an active silencer for damping airborne sound, a machine with a rotating drive shaft generated as a function of their speed, with the features of the preamble of claim 1.
  • Mufflers of this type are mainly used in exhaust systems of internal combustion engines, in particular of motor vehicles, used to control the noise emissions of internal combustion engines or the vehicles into the environment. It is also known, silencer in the intake to arrange the internal combustion engines.
  • Such active silencers are for example from the US 5,336,856, US 5,432,857, EP 0 916 817 A2, DE 196 10 292 A1 and DE 197 51 596 A1 and have a hollow body, the at least one movable wall for generating Contains counter sound and via a connection with a to Guiding the airborne sound to be damped is acoustically coupled. Furthermore, a drive device provided for moving the movable wall. at the known devices is the movable wall respectively formed by a diaphragm of a loudspeaker that with Help of an electromagnetic actuator for generating the desired Schmidtalls is excitable.
  • the well-known silencers each have a sensor e.g.
  • the present invention deals with the problem for an active silencer of the type mentioned to provide an improved embodiment, in particular a reduced susceptibility to those in an internal combustion engine owns operating conditions.
  • the invention is based on the general idea, the Generation of the counter sound used moving wall to form a bottom of a piston in a cylinder space Hubver fost arranged or stored. hereby results in a robust construction which makes it possible in particular the silencer according to the invention in the exhaust system to arrange an internal combustion engine. Of special Significance here is that the inventive active Silencer without speaker manages.
  • the drive means moves the piston so that the Stroke frequency of the piston in a constant ratio to Speed or rotation frequency of the machine stands.
  • This embodiment based on the knowledge that in a machine with a rotating drive shaft to be damped airborne sound one dependent on the speed of the drive shaft Main noise frequency possesses, with the help of the silencer should be damped. Due to the phase-locked coupling of Stroke frequency of the piston to the rotational frequency of the drive shaft it is ensured that the pressure waves of the counter sound show the same frequency behavior as the pressure waves of the Kleinstörfrequenz. This can ensure that the counter-sound generated by the piston at any speed automatically exactly the required for damping the main noise frequency Owns frequency. In contrast to the known ones Silencers do not need complicated algorithms be evaluated, since only the simple Relationship between speed and interference frequency for generation the required counter sound is used. Such Control can therefore be comparatively inexpensive, robust and stable.
  • the stroke movement of the piston so to design that only a single counter-sound frequency is generated. It is expedient to have a further training the stroke movement is designed so that the piston at least stimulates two different counter-sound frequencies, thereby two different interference frequencies can be damped.
  • the second disturbance frequency forms a harmonic the first interference frequency.
  • an amplitude control device provided for adjusting the amplitude of the counter sound be, which has a control element, depending his operation the acoustic coupling through the connection between the cylinder chamber and the airborne sound Lead more or less damped.
  • the amplitude controller can then the damper power to the moment required power to be adjusted in which the two mutually acting sound fields stronger or weaker be coupled.
  • the amplitude control means the control member depending on the engine speed and / or the Press machine power.
  • the piston via the drive device with the drive shaft of the machine be connected to drive.
  • the piston via the drive device with the drive shaft of the machine be connected to drive.
  • this embodiment is on dispenses with vulnerable electronics to control the piston, whereby the silencer according to the invention particularly easy and robust builds.
  • the stroke frequency of the piston is appropriate chosen so that it is n times the rotational frequency of the drive shaft is.
  • the ignition processes are symmetrical distributed over the drive shaft rotation angle, so that this embodiment automatically to a counter-sound frequency leads, which are equal to those generated by the ignition processes Interference frequency is.
  • a 4-cylinder four-stroke engine comes it during a crankshaft revolution to two ignitions, so that the stroke frequency thus twice the rotational frequency the crankshaft is.
  • For a 6-cylinder four-stroke engine find three ignition processes per crankshaft revolution, so that the stroke frequency of the piston accordingly three times Crankshaft frequency is.
  • FIG. 1 shows a much simplified schematic representation a silencer according to the invention.
  • a preferred application of an inventive active muffler 1 explained in more detail, namely for Attenuation of airborne noise in an exhaust line 2 of an internal combustion engine 3.
  • the silencer 1 has at least a hollow body which forms a cylinder space 4.
  • a piston 5 is mounted in a liftable manner, which is indicated by a double arrow 6.
  • a floor 7 of the piston 5 forms a movable in the cylinder chamber 4 Wall.
  • the hollow body 4 and the cylinder chamber 4 is acoustically coupled via a connection 8 with a line 9.
  • This line 9 forms a line of the exhaust system 2 and leads during operation of the internal combustion engine 3 the airborne sound to be damped.
  • the muffler 1 has a drive device 10 for Moving the piston 5.
  • the drive device contains 10 a crank mechanism 12, the incoming rotary motion the drive shaft 11 in an outgoing bidirectional Stroke movement of the piston 5 converts.
  • the drive device 10 contains the drive device 10, a transmission 13, the incoming Speed of the drive shaft 11 in an outgoing speed translated to the crank mechanism 12 and thus to the Piston 5 is transmitted.
  • the gear ratio of the transmission 13 at all engine speeds constant. Accordingly results for the stroke frequency of the piston 5 is a constant ratio to the rotational frequency or rotational speed of the drive shaft 11 or the machine 3.
  • the drive device 10 moves the piston 5 at all stroke frequencies with a constant Hub. Appropriately, this stroke is on the maximum damping performance the muffler 1 designed. However, if that too dampening background noise has only relatively small amplitudes, e.g. during idle operation of the internal combustion engine 3, this may cause a noise pollution by the Lead silencer 1.
  • an amplitude control device 14 for adjusting the amplitude of the piston 5 generated counter sound.
  • This amplitude control device 14 has a control member 15, here in the form of a butterfly flap is designed.
  • the control member 15 can with Help an actuator 16 are actuated.
  • the control member 15th is arranged in the region of the connection 8 and can depend on his operation the sound fields in the cylinder chamber 4 and more or less couple in the line 9.
  • the control member 15 is appropriate depending on the engine speed and / or engine power.
  • the amplitude controller 14 includes a Control 17, which has a corresponding control line 18 actuates the Steuergliedaktuator 16.
  • a pedal angle 20 of an accelerator pedal 21st be tapped, as the pedal position usually with the power requirement of the internal combustion engine 3 correlated.
  • a throttle 22 tap in an intake tract 23 of the internal combustion engine 3 is arranged.
  • the control member 15 via a corresponding linkage directly to the throttle valve 22 to couple one of the Engine power dependent operation of the control member 15th to reach.
  • the Steuergliedaktuator 16 can as electrical or electromagnetic or hydraulic or pneumatic or mechanical actuator 16 is formed be in the proper way with the control member 15 is drive connected.
  • the control member 15 is comparatively low temperature loads exposed as it is not from the exhaust of the internal combustion engine 3 is flowed through. Furthermore, must it only reacts relatively slowly, as it only and load changes, but not the time course of the sound pressure level must follow. Thus, known and proven Control members 15 and actuators 16 are used.
  • the Internal combustion engine 3 for example, a 4-cylinder four-stroke engine, the two ignitions per revolution its drive shaft 11 has.
  • the transmission 13 is then like this designed that the piston 5 has a stroke frequency, the twice as high as the rotational frequency of the drive shaft eleventh is.
  • This relationship remains at all speeds of the machine 3 obtained, which by the ignition in the Internal combustion engine 3 generated major noise at each Speed automatically damped with the correct counter sound can be. It is clear that this is the positioning the connection 8 and the forced coupling between the Drive shaft 11 and the piston 5 so matched are that in the field of coupling of the counter sound in the line 9 an opposite-phase superposition of the counter sound with the noise to be damped results, which the background noise can be damped more or less strongly.
  • the mechanical power required to drive the piston 5 is relatively low, since the piston 5 only comparatively must produce low pressures. Furthermore, the seal must of the piston 5 with respect to the cylinder chamber 4 is not high Requirements met. For example, a possibly existing Annular gap between the piston 5 and cylinder space 4 though cause an acoustic short circuit, but this is on limited to very low frequencies, reducing the mode of action the silencer according to the invention not or only slightly is impaired. These reduced requirements to the tightness allow friction losses between To reduce piston 5 and cylinder chamber 4.
  • a the crank mechanism 12 and the cylinder 4 containing Crankcase be built of sheet metal.
  • moving parts such as e.g. the piston and a connecting rod 24 made of plastic getting produced.
  • connection is 8 formed open between the cylinder chamber 4 and the conduit 9, to realize an intensive acoustic coupling. If the ambient conditions permit, the Compound 8, for example, with a flexible membrane be sealed gas-tight. The generated by the piston 5 Vibrations can then via the membrane in the line. 9 be coupled. The actuator 15 can influence the coupling then expediently interact with the membrane.
  • the silencer according to the invention for the damping of airborne noise in the exhaust line 2 of particular importance is, the muffler 1 in principle also for damping be used by airborne sound in the intake tract 23.
  • the muffler 1 for example several cylinder chambers 4 and piston 5 may be provided, the work in parallel.
  • different pistons with different Hub frequencies work to different frequencies to dampen in airborne sound.
  • crank mechanism leads 12 to a sinusoidal lifting movement of the piston 5.
  • This sinusoidal piston movement can always only one interference frequency be damped.
  • the drive device 10 may also have a different lifting movement be represented for the piston 5, which for example allows two or more jamming frequencies simultaneously attenuate.
  • the drive means 10 a driven independently of the drive shaft 11 Piston actuator may have, the lifting operation the piston 5 is drivingly connected thereto.
  • a appropriate control e.g. the controller 17, operated then this piston actuator as a function of the speed of the Drive shaft 11.
  • the drive device 10 via a suitable sensor the determine the instantaneous speed of the drive shaft 11.
  • the muffler 1 in the embodiment shown here for damping the airborne sound of an internal combustion engine 3 is used is the invention Silencer 1 basically on any machine usable with a rotating drive shaft, depending on their speed produces the airborne sound to be damped.
  • the muffler 1 according to the invention therefore with a pump, a compressor or a Compressor are used.

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen aktiven Schalldämpfer zum Dämpfen von Luftschall, den eine Maschine mit einer rotierenden Antriebswelle in Abhängigkeit ihrer Drehzahl erzeugt, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Schalldämpfer dieser Art werden vor allem in Abgasanlagen von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere von Kraftfahrzeugen, verwendet, um die Schallemissionen der Verbrennungskraftmaschinen bzw. der Fahrzeuge in die Umgebung zu reduzieren. Ebenso ist es bekannt, Schalldämpfer im Ansaugbereich der Verbrennungskraftmaschinen anzuordnen.
Derartige aktive Schalldämpfer sind beispielsweise aus der US 5,336,856, US 5,432,857, EP 0 916 817 A2, DE 196 10 292 A1 und DE 197 51 596 A1 bekannt und besitzen einen Hohlkörper, der wenigstens eine bewegliche Wand zur Erzeugung von Gegenschall enthält und über eine Verbindung mit einer zur Führung des zu dämpfenden Luftschalls geeigneten Leitung akustisch gekoppelt ist. Des weiteren ist eine Antriebseinrichtung zum Bewegen der beweglichen Wand vorgesehen. Bei den bekannten Vorrichtungen ist die bewegliche Wand jeweils durch eine Membran eines Lautsprechers gebildet, die mit Hilfe eines elektromagnetischen Aktuators zur Erzeugung des gewünschten Gegenschalls anregbar ist. Die bekannten Schalldämpfer weisen jeweils einen Sensor z.B. in Form eines Mikrofons auf, der an einer vorbestimmten Stelle einen Istwert eines Schallfeldes ermittelt und diese mit einem vorbestimmten oder einstellbaren Sollwert vergleicht. In Abhängigkeit dieses Soll-Ist-Vergleichs wird dann der Lautsprecher angesteuert. Durch die Überlagerung des zu dämpfenden Luftschalls mit dem Gegenschall erfolgt eine Bedämpfung des Luftschalls durch gegenseitige Auslöschung der aufeinandertreffenden Schallwellen. Das bedeutet, daß eine speziell programmierte Steuerungselektronik den jeweiligen Lautsprecher derart betätigt, daß an dem Sensor der von der Pulsation im Luftschall verursachte Schalldruckpegel verschwindet bzw. gemindert wird. Die Verwendung von Lautsprechern in Abgasanlagen von Verbrennungskraftmaschinen bereitet Probleme, da sich diese Einsatzbedingungen deutlich von der üblichen Verwendung von Lautsprechern in herkömmlichen Beschallungsanlagen unterscheidet. Insbesondere betrifft dies die chemische, thermische, elektrische und nicht zuletzt die mechanische Belastbarkeit der Lautsprecher. Darüber hinaus kann der verwendete Softwarealgorithmus eine gewisse Instabilität besitzen, die durch Änderungen des Übertragungsverhaltens zwischen Lautsprecher und Sensor hervor gerufen werden kann und ggf. zu extremen Pegelüberhöhungen führen kann.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen aktiven Schalldämpfer der eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die insbesondere eine reduzierte Anfälligkeit für die in einer Verbrennungskraftmaschine herrschenden Betriebsbedingungen besitzt.
Dieses Problem wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die zur Erzeugung des Gegenschalls verwendete bewegliche Wand durch einen Boden eines Kolbens zu bilden, der in einem Zylinderraum hubverstellbar angeordnet bzw. gelagert ist. Hierdurch ergibt sich ein robuster Aufbau, der es insbesondere ermöglicht, den erfindungsgemäßen Schalldämpfer im Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine anzuordnen. Von besonderer Bedeutung ist hierbei, daß der erfindungsgemäße aktive Schalldämpfer ohne Lautsprecher auskommt.
Von besonderer Bedeutung ist dabei eine Ausführungsform, bei der die Antriebseinrichtung den Kolben so bewegt, daß die Hubfrequenz des Kolbens in einem konstanten Verhältnis zur Drehzahl oder Drehfrequenz der Maschine steht. Diese Ausführungsform beruht auf der Erkenntnis, daß bei einer Maschine mit einer rotierenden Antriebswelle der zu bedämpfende Luftschall eine von der Drehzahl der Antriebswelle abhängige Hauptstörfrequenz besitzt, die mit Hilfe des Schalldämpfers bedämpft werden soll. Durch die phasenstarre Kopplung der Hubfrequenz des Kolbens an die Drehfrequenz der Antriebswelle wird gewährleistet, daß die Druckwellen des Gegenschalls dasselbe Frequenzverhalten zeigen wie die Druckwellen der Hauptstörfrequenz. Hierdurch kann gewährleistet werden, daß der vom Kolben erzeugte Gegenschall bei jeder Drehzahl automatisch exakt die zur Bedämpfung der Hauptstörfrequenz erforderliche Frequenz besitzt. Im Unterschied zu den bekannten Schalldämpfern müssen hierbei keine komplizierten Algorithmen ausgewertet werden, da hier lediglich der einfache Zusammenhang zwischen Drehzahl und Störfrequenz zur Erzeugung des benötigten Gegenschalls verwendet wird. Eine derartige Steuerung kann daher vergleichsweise preiswert, robust und stabil ausgeführt werden.
Grundsätzlich ist es möglich, die Hubbewegung des Kolbens so auszugestalten, daß lediglich eine einzige Gegenschallfrequenz generiert wird. Zweckmäßig ist eine Weiterbildung, bei der die Hubbewegung so ausgestaltet ist, daß der Kolben wenigstens zwei verschiedene Gegenschallfrequenzen anregt, wodurch zwei verschiedene Störfrequenzen bedämpft werden können. Zweckmäßig bildet die zweite Störfrequenz eine Oberschwingung der ersten Störfrequenz.
Wenn die Antriebseinrichtung so ausgebildet ist, daß sie den Kolben bei allen Hubfrequenzen mit einem konstanten Hub bewegt, ergibt sich für den Schalldämpfer ein besonders einfacher Aufbau, der preiswert realisierbar ist.
Gemäß einer Weiterbildung kann eine Amplitudensteuereinrichtung zum Einstellen der Amplitude des Gegenschalls vorgesehen sein, die ein Steuerglied aufweist, das in Abhängigkeit seiner Betätigung die akustische Kopplung über die Verbindung zwischen dem Zylinderraum und der luftschallführenden Leitung mehr oder weniger bedämpft. Beispielsweise kann der Hub des Kolbens für eine Maximalleistung des Schalldämpfers ausgelegt und unabhängig von der benötigten Dämpfungsleistung konstant vorliegen. Mit Hilfe der AmplitudenSteuereinrichtung kann dann die Dämpferleistung an die momentan benötigte Leistung angepaßt werden, in dem die beiden gegeneinander wirkenden Schallfelder stärker oder schwächer gekoppelt werden.
Vorzugsweise kann die Amplitudensteuereinrichtung das Steuerglied in Abhängigkeit der Maschinendrehzahl und/oder der Maschinenleistung betätigen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der Kolben über die Antriebseinrichtung mit der Antriebswelle der Maschine antriebsverbunden sein. Bei dieser Ausführungsform wird auf eine anfällige Elektronik zur Ansteuerung des Kolbens verzichtet, wodurch der erfindungsgemäße Schalldämpfer besonders einfach und robust baut.
Sofern es sich bei der Maschine um einen Kolbenmotor handelt, der bei jeder Umdrehung seiner Antriebswelle n Zündvorgänge besitzt, wird die Hubfrequenz des Kolbens zweckmäßig so gewählt, daß sie das n-fache der Drehfrequenz der Antriebswelle ist. Üblicherweise sind die Zündvorgänge symmetrisch über dem Antriebswellendrehwinkel verteilt, so daß diese Ausführungsform automatisch zu einer Gegenschallfrequenz führt, die gleich der durch die Zündvorgänge erzeugten Störfrequenz ist. Bei einem 4-Zylinder-Viertakt-Motor kommt es während einer Kurbelwellenumdrehung zu zwei Zündvorgängen, so daß die Hubfrequenz somit die zweifache Drehfrequenz der Kurbelwelle ist. Bei einem 6-Zylinder-Viertakt-Motor finden pro Kurbelwellenumdrehung drei Zündvorgänge statt, so daß die Hubfrequenz des Kolbens dementsprechend die dreifache Kurbelwellenfrequenz ist.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder funktional gleiche oder ähnliche Bauteile beziehen.
Die einzige Fig. 1 zeigt eine stark vereinfachte Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Schalldämpfers.
In Fig. 1 wird eine bevorzugte Anwendung eines erfindungsgemäßen aktiven Schalldämpfers 1 näher erläutert, nämlich zur Bedämpfung von Luftschall in einem Abgasstrang 2 einer Verbrennungskraftmaschine 3. Der Schalldämpfer 1 weist mindestens einen Hohlkörper auf, der einen Zylinderraum 4 bildet. In diesem Zylinderraum 4 ist ein Kolben 5 hubbeweglich gelagert, was durch einen Doppelpfeil 6 angedeutet ist. Ein Boden 7 des Kolbens 5 bildet dabei eine im Zylinderraum 4 bewegliche Wand. Der Hohlkörper 4 bzw. der Zylinderraum 4 ist über eine Verbindung 8 mit einer Leitung 9 akustisch gekoppelt. Diese Leitung 9 bildet dabei eine Leitung des Abgasstrangs 2 und führt im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 3 den zu bedämpfenden Luftschall.
Der Schalldämpfer 1 besitzt eine Antriebseinrichtung 10 zum Bewegen des Kolbens 5. Bei der hier gezeigten bevorzugten Ausführungsform ist der Kolben 5 über die Antriebseinrichtung 10 mit einer Antriebswelle 11 der Verbrennungskraftmaschine 3 antriebsverbunden. Dabei enthält die Antriebseinrichtung 10 einen Kurbeltrieb 12, der die eingehende Drehbewegung der Antriebswelle 11 in eine abgehende bidirektionale Hubbewegung des Kolbens 5 umwandelt. Des weiteren enthält die Antriebseinrichtung 10 ein Getriebe 13, das die eingehende Drehzahl der Antriebswelle 11 in eine abgehende Drehzahl übersetzt, die an den Kurbeltrieb 12 und somit an den Kolben 5 übertragen wird. Vorzugsweise ist das Übersetzungsverhältnis des Getriebes 13 bei allen Maschinendrehzahlen konstant. Dementsprechend ergibt sich für die Hubfrequenz des Kolbens 5 ein konstantes Verhältnis zur Drehfrequenz bzw. Drehzahl der Antriebswelle 11 bzw. der Maschine 3.
Durch den Kurbeltrieb 12 bewegt die Antriebseinrichtung 10 den Kolben 5 bei allen Hubfrequenzen mit einem konstanten Hub. Zweckmäßig ist dieser Hub auf die maximale Dämpfungsleistung des Schalldämpfers 1 ausgelegt. Wenn jedoch der zu bedämpfende Störschall nur relativ kleine Amplituden aufweist, z.B. beim Leerlaufbetrieb der Verbrennungskraftmaschine 3, kann dies zu einer Lärmbelästigung durch den Schalldämpfer 1 führen. Um dies zu vermeiden, besitzt der erfindungsgemäße Schalldämpfer 1 eine Amplitudensteuereinrichtung 14 zum Einstellen der Amplitude des vom Kolben 5 erzeugte Gegenschalls. Diese Amplitudensteuereinrichtung 14 weist ein Steuerglied 15 auf, das hier in Form einer Schmetterlingsklappe ausgestaltet ist. Das Steuerglied 15 kann mit Hilfe eines Aktuators 16 betätigt werden. Das Steuerglied 15 ist im Bereich der Verbindung 8 angeordnet und kann in Abhängigkeit seiner Betätigung die Schallfelder im Zylinderraum 4 und in der Leitung 9 mehr oder weniger koppeln.
Das Steuerglied 15 wird zweckmäßig in Abhängigkeit der Maschinendrehzahl und/oder der Maschinenleistung betätigt. Beispielsweise umfaßt die Amplitudensteuereinrichtung 14 eine Steuerung 17, die über eine entsprechende Steuerleitung 18 den Steuergliedaktuator 16 betätigt. Beispielsweise erhält die Steuerung 17 über eine Signalleitung 19 Signale, die mit der aktuellen Maschinenleistung korrelieren. Beispielsweise kann dazu ein Pedalwinkel 20 eines Gaspedals 21 abgegriffen werden, da die Pedalstellung in der Regel mit dem Leistungsbedarf der Verbrennungskraftmaschine 3 korreliert. Ebenso ist es möglich, eine Stellung einer Drosselklappe 22 abzugreifen, die in einem Ansaugtrakt 23 der Verbrennungskraftmaschine 3 angeordnet ist. Ebenso ist es möglich, das Steuerglied 15 über ein entsprechendes Gestänge direkt mit der Drosselklappe 22 zu koppeln, um eine von der Maschinenleistung abhängige Betätigung des Steuerglieds 15 zu erreichen.
Sofern der Steuergliedaktuator 16 verwendet wird, kann dieser als elektrischer oder elektromagnetischer oder hydraulischer oder pneumatischer oder mechanischer Aktuator 16 ausgebildet sein, der in geeigneter Weise mit dem Steuerglied 15 antriebsverbunden ist.
Das Steuerglied 15 ist dabei vergleichsweise geringen Temperaturbelastungen ausgesetzt, da es nicht vom Abgas der Verbrennungskraftmaschine 3 durchströmt wird. Des weiteren muß es nur relativ langsam reagieren, da es nur bei Drehzahl- und Laständerungen, jedoch nicht dem Zeitverlauf des Schalldruckpegels folgen muß. Somit können bekannte und bewährte Steuerglieder 15 und Aktuatoren 16 verwendet werden.
Bei der vorliegenden Ausführungsform handelt es sich bei der Verbrennungskraftmaschine 3 beispielsweise um einen 4-Zylinder-Viertakt-Motor, der zwei Zündvorgänge pro Umdrehung seiner Antriebswelle 11 besitzt. Das Getriebe 13 ist dann so ausgestaltet, daß der Kolben 5 eine Hubfrequenz besitzt, die doppelt so hoch wie die Drehfrequenz der Antriebswelle 11 ist. Dieser Zusammenhang bleibt bei allen Drehzahlen der Maschine 3 erhalten, wodurch der durch die Zündvorgänge in der Verbrennungskraftmaschine 3 erzeugte Hauptstörschall bei jeder Drehzahl automatisch mit dem richtigen Gegenschall bedämpft werden kann. Es ist klar, daß hierzu die Positionierung der Verbindung 8 sowie die Zwangskopplung zwischen der Antriebswelle 11 und dem Kolben 5 so aufeinander abgestimmt sind, daß sich im Bereich der Einkopplung des Gegenschalls in die Leitung 9 eine gegenphasige Überlagerung des Gegenschalls mit dem zu bedämpfenden Störschall ergibt, wodurch der Störschall mehr oder weniger stark bedämpft werden kann.
Die zum Antrieb des Kolbens 5 erforderliche mechanische Leistung ist relativ gering, da der Kolben 5 nur vergleichsweise geringe Drücke erzeugen muß. Des weiteren muß die Abdichtung des Kolbens 5 gegenüber dem Zylinderraum 4 keinen hohen Anforderungen genügen. Beispielsweise kann ein ggf. vorhandener Ringspalt zwischen Kolben 5 und Zylinderraum 4 zwar zu einem akustischen Kurzschluß führen, dieser ist jedoch auf sehr niedrige Frequenzen begrenzt, wodurch die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Schalldämpfers nicht oder nur geringfügig beeinträchtigt wird. Diese reduzierten Anforderungen an die Dichtigkeit ermöglichen es, Reibungsverluste zwischen Kolben 5 und Zylinderraum 4 zu reduzieren. Beispielsweise kann ein den Kurbeltrieb 12 und den Zylinder 4 enthaltendes Kurbelgehäuse aus Blech gebaut werden. Zur Reduzierung der Trägheitsmassen können beispielsweise bewegte Teile, wie z.B. der Kolben sowie eine Pleuelstange 24 aus Kunststoff hergestellt werden.
Bei der hier gezeigten Ausführungsform ist die Verbindung 8 zwischen dem Zylinderraum 4 und der Leitung 9 offen ausgebildet, um eine intensive akustische Kopplung zu realisieren. Sofern es die Umgebungsbedingungen zulassen, kann die Verbindung 8 auch beispielsweise mit einer flexiblen Membran gasdicht verschlossen sein. Die vom Kolben 5 erzeugten Schwingungen können dann über die Membran in die Leitung 9 eingekoppelt werden. Das Stellglied 15 kann zur Beeinflussung der Kopplung dann zweckmäßig mit der Membran zusammenwirken.
Obwohl der erfindungsgemäße Schalldämpfer für die Bedämpfung von Luftschall im Abgasstrang 2 von besonderer Bedeutung ist, kann der Schalldämpfer 1 grundsätzlich auch zur Bedämpfung von Luftschall im Ansaugtrakt 23 eingesetzt werden. Für Weiterbildungen des Schalldämpfers 1 können beispielsweise mehrere Zylinderräume 4 und Kolben 5 vorgesehen sein, die parallel arbeiten. Ebenso können verschiedene Kolben mit unterschiedlichen Hubfrequenzen arbeiten, um verschiedene Frequenzen im Luftschall zu bedämpfen.
Bei der hier gezeigten Ausführungsform führt der Kurbeltrieb 12 zu einer sinusförmigen Hubbewegung des Kolbens 5. Durch diese sinusförmige Kolbenbewegung kann stets nur eine Störfrequenz bedämpft werden. Bei einer anderen Ausgestaltung der Antriebseinrichtung 10 kann auch eine andere Hubbewegung für den Kolben 5 dargestellt werden, die es beispielsweise ermöglicht, gleichzeitig zwei oder mehr Störfrequenzen zu bedämpfen.
Beispielsweise ist es dadurch möglich, die durch die Zündvorgänge in der Verbrennungskraftmaschine 3 erzeugte Hauptstörfrequenz sowie eine oder mehrere Oberschwingungen dieser Hauptstörfrequenz mit dem Schalldämpfer 1 zu bedämpfen.
Bei der hier gezeigten Ausführungsform wird der Kolben 5 mit Hilfe der Antriebseinrichtung 10 mechanisch mit der Antriebswelle 11 der Verbrennungskraftmaschine 3 gekoppelt. Es ist klar, daß bei anderen Ausführungsformen die Antriebseinrichtung 10 einen unabhängig von der Antriebswelle 11 angetriebenen Kolbenaktuator aufweisen kann, der zur Hubbetätigung des Kolbens 5 mit diesem antriebsverbunden ist. Eine entsprechende Steuerung, z.B. die Steuerung 17, betätigt dann diesen Kolbenaktuator in Abhängigkeit der Drehzahl der Antriebswelle 11. Beispielsweise ist die Drehzahl der Antriebswelle 11 bei modernen Verbrennungskraftmaschinen 3 in einer entsprechenden Motorsteuerung abrufbar. Ebenso kann die Antriebseinrichtung 10 über eine geeignete Sensorik die momentane Drehzahl der Antriebswelle 11 ermitteln. Ein Kolbenaktuator, der unabhängig von der Antriebswelle 11, z.B. elektrisch oder elektromagnetisch oder hydraulisch oder pneumatisch, antreibbar ist, kann über eine geeignete Steuerung besonders einfach so betätigt werden, daß sich der vom Kolben 5 generierte Gegenschall zur Bedämpfung mehrerer Störfrequenzen eignet. Insbesondere kann ein solcher Kolbenaktuator in Abhängigkeit der vorherrschenden Motordrehzahl und/oder der vorherrschenden Motorleistung den Kolbenhub bzw. die Amplitude des mit dem Kolben 5 generierten Gegenschalls variieren und so an die momentan erforderliche Dämpfungsleistung anpassen.
Obwohl der Schalldämpfer 1 bei der hier gezeigten Ausführungsform zur Bedämpfung des Luftschalls einer Verbrennungskraftmaschine 3 verwendet wird, ist der erfindungsgemäße Schalldämpfer 1 grundsätzlich bei einer beliebigen Maschine mit einer rotierenden Antriebswelle verwendbar, die in Abhängigkeit ihrer Drehzahl den zu bedämpfenden Luftschall erzeugt. Beispielsweise kann der Schalldämpfer 1 nach der Erfindung daher bei einer Pumpe, einem Verdichter oder einem Kompressor zur Anwendung kommen.
Bezugszeichenliste
1
Schalldämpfer
2
Abgasstrang
3
Verbrennungskraftmaschine
4
Zylinderraum/Hohlkörper
5
Kolben
6
Hubrichtung
7
Boden/Wand
8
Verbindung
9
Leitung
10
Antriebseinrichtung
11
Antriebswelle
12
Kurbeltrieb
13
Getriebe
14
Amplitudensteuereinrichtung
15
Steuerglied
16
Steuergliedaktuator
17
Steuerung
18
Steuerleitung
19
Signalleitung
20
Pedalwinkel
21
Gaspedal
22
Drosselklappe
23
Ansaugstrang
24
Pleuelstange

Claims (15)

  1. Aktiver Schalldämpfer zum Dämpfen von Luftschall, den eine Maschine (3) mit einer rotierenden Antriebswelle (11) in Abhängigkeit ihrer Drehzahl erzeugt, mit wenigstens einem Hohlkörper (4), der wenigstens eine bewegliche Wand (6) zur Erzeugung von Gegenschall enthält und über eine Verbindung (8) mit einer zur Führung des zu dämpfenden Luftschalls geeigneten Leitung (9) akustisch gekoppelt ist, und mit einer Antriebseinrichtung (10) zum Bewegen der beweglichen Wand (6),
    dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Wand durch einen Boden (6) eines Kolbens (5) gebildet ist und daß der Hohlkörper durch einen Zylinderraum (4) gebildet ist, in dem der Kolben (5) bewegbar angeordnet ist.
  2. Schalldämpfer nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung (10) den Kolben (5) so bewegt, daß die Hubfrequenz des Kolbens (5) in einem konstanten Verhältnis zur Drehzahl oder Drehfrequenz der Maschine (3) steht.
  3. Schalldämpfer nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung (10) den Kolben (5) so bewegt, daß die Hubbewegung des Kolbens (5) Gegenschall zur Bedämpfung einer oder mehrerer von der Maschinendrehzahl abhängigen Störfrequenz(en) erzeugt.
  4. Schalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung (10) den Kolben (5) bei allen Hubfrequenzen mit einem konstanten Hub bewegt.
  5. Schalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß eine Amplitudensteuereinrichtung (14) zum Einstellen der Amplitude des Gegenschalls vorgesehen ist, die ein Steuerglied (15) aufweist, das in Abhängigkeit seiner Betätigung die beiden gegeneinander wirkenden Schallfelder über die Verbindung (8) mehr oder weniger akustisch koppelt.
  6. Schalldämpfer nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitudensteuereinrichtung (14) das Steuerglied (15) in Abhängigkeit der Maschinendrehzahl und/oder der Maschinenleistung betätigt.
  7. Schalldämpfer nach Anspruch 5 oder 6,
    dadurch gekennzeichnet, daß zur Betätigung des Steuerglieds (15) ein elektrischer oder elektromagnetischer oder hydraulischer oder pneumatischer oder mechanischer Steuergliedaktuator (16) vorgesehen ist, der mit dem Steuerglied (15) antriebsverbunden ist.
  8. Schalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (5) über die Antriebseinrichtung (10) mit der Antriebswelle (11) der Maschine (3) antriebsverbunden ist.
  9. Schalldämpfer nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung (10) ein Getriebe (13) enthält, das die Maschinendrehzahl bei allen Maschinendrehzahlen mit einem konstanten Übersetzungsverhältnis in die Hubfrequenz des Kolbens (5) übersetzt.
  10. Schalldämpfer nach Anspruch 8 oder 9,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung (10) einen Kurbeltrieb (12) aufweist, der eine von der Antriebswelle (11) abgenommene eingangsseitige Drehbewegung in eine ausgangsseitige bidirektionale Hubbewegung des Kolbens (5) umwandelt.
  11. Schalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung (10) einen elektrischen oder elektromagnetischen oder hydraulischen oder pneumatischen Kolbenaktuator aufweist, der mit dem Kolben (5) antriebsverbunden ist, und daß die Antriebseinrichtung (10) eine Steuerung aufweist, die den Kolbenaktuator in Abhängigkeit der Maschinendrehzahl betätigt.
  12. Schalldämpfer nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung (10) eine Sensorik aufweist, die ein mit der Maschinendrehzahl korreliertes Signal ermittelt.
  13. Schalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
    dadurch gekennzeichnet, daß bei einer als Kolbenmotor ausgebildeten Maschine (3) mit n Zündvorgängen pro Umdrehung der Antriebswelle (11) die Hubfrequenz des Kolbens (5) das n-fache der Drehfrequenz der Antriebswelle (11) ist.
  14. Schalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine (3) eine Verbrennungskraftmaschine, ein Kompressor, eine Pumpe oder ein Verdichter ist.
  15. Schalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
    dadurch gekennzeichnet, daß bei einer als Verbrennungskraftmaschine ausgebildeten Maschine (3) die zur Führung des zu bedämpfenden Luftschalls geeignete Leitung (9) durch den Abgasstrang (2) oder den Ansaugstrang (23) der Verbrennungskraftmaschine (3) gebildet ist.
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