EP1701010B1 - Aktiver Abgasschalldämpfer - Google Patents

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EP1701010B1
EP1701010B1 EP06002796A EP06002796A EP1701010B1 EP 1701010 B1 EP1701010 B1 EP 1701010B1 EP 06002796 A EP06002796 A EP 06002796A EP 06002796 A EP06002796 A EP 06002796A EP 1701010 B1 EP1701010 B1 EP 1701010B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
exhaust
silencer according
gas
exhaust silencer
diaphragm
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP06002796A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1701010A1 (de
Inventor
Oliver Seibt
Graham Busch
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.)
Benteler Automobiltechnik GmbH
Original Assignee
Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Benteler Automobiltechnik GmbH filed Critical Benteler Automobiltechnik GmbH
Publication of EP1701010A1 publication Critical patent/EP1701010A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1701010B1 publication Critical patent/EP1701010B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
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
    • F01N1/02—Silencing apparatus characterised by method of silencing by using resonance
    • 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 invention relates to an active exhaust silencer for exhaust-carrying pipelines according to the features in the preamble of patent claim 1.
  • Exhaust mufflers are provided in exhaust systems of motor vehicles to dampen the exhaust noise emitted by the engine to an acceptable level.
  • the sound pressure level can be up to 160 dB (A).
  • Legal requirements therefore provide a legal framework for soundproofing.
  • Passive silencers work on the principle of sound absorption and have fibrous or porous materials that have large and highly structured surfaces. The exhaust sound is to be redirected and reflected in this way in absorbing and sound-absorbing mazes, so that the sound energy is reduced until the exhaust sound has fallen below a desired level. Passive silencers, which operate on the principle of sound absorption, accumulate the exhaust gas. In that way they reduce the power of the engine.
  • Counter-noise can be generated passively through specially designed resonators or actively via loudspeakers.
  • Resonators can be designed, for example, as a ⁇ / 4 tube and coupled laterally to exhaust gas-carrying pipelines.
  • ⁇ / 4-tube sound is phase-shifted by 180 ° reflected.
  • the reflected sound waves are superimposed with the disturbing sound and thus cause the sound attenuation.
  • account must be taken of the time it takes the sound to propagate twice over the length of the ⁇ / 4 tube.
  • the frequency of the exhaust sound has changed in the meantime in exhaust-carrying pipes due to the dynamic conditions, so that it does not come to the desired compensation in the superposition with the reflected sound.
  • the frequencies at which extinction is possible are for physical reasons from the outset limited to multiples of ⁇ / 4.
  • control circuits and control loops are used.
  • sensors for the exhaust sound take on relevant parameters such. As the engine speed, the load state of the engine and the temperature of the exhaust gas.
  • a control unit generates on the basis of these input signals en pursueende output signals with which the arranged on the exhaust pipe leading speaker is controlled.
  • Such control circuits are relatively easy to manufacture and provide acceptable results at a low cost.
  • the sound attenuation can be further improved by a control loop.
  • the sensor system is preferably supplemented by a pressure sensor or a microphone. Based on the exhaust noise recorded by this sensor, the control unit can then be exactly matched in conjunction with the loudspeaker Generate compensation sound, which is adapted to the dynamic changes in the exhaust noise and therefore has a high damping effect.
  • the physical conditions in the attenuation of exhaust noise are extremely difficult.
  • the exhaust sound has, as already described above, a sound pressure level of up to 160 dB (A), wherein the exhaust gas flow pulsates.
  • the exhaust gas temperature in the exhaust-carrying pipeline can be up to 600 ° C, which increases the speed of sound from 330 m / s to 600 m / s.
  • exhaust gas is chemically extremely aggressive.
  • a new design for speakers is in the DE 102 38 325 A1 described. It is a loudspeaker whose diaphragm is displaced by an electromagnetic transducer into longitudinal oscillatory motions in a direction perpendicular to the membrane extension.
  • the design allows a particularly flat design of the speaker and is characterized by a particularly advantageous sound characteristics.
  • the present invention seeks to provide an active exhaust muffler, which is superimposed on the exhaust sound with compensation sound in the required intensity regardless of the vehicle type and also characterized by a compact design and durability or reliability.
  • the core idea here is to superimpose the exhaust sound with the compensation sound of a loudspeaker, which works as an electroacoustic transducer based on bending waves.
  • Such speakers have a membrane on the surface of which bending waves and shear waves propagate when excited by a transducer to vibrate.
  • the wave propagation in membranes takes place in different ways. While density and expansion waves are dominant in thicker membranes, bending and shear waves also occur in thinner media. For use in loudspeakers, the bending wave components have proved suitable for their amplitude and their propagation behavior.
  • the propagation behavior of bending waves in a membrane is significantly influenced by the bending stiffness of the membrane.
  • the bending stiffness is frequency-dependent.
  • coincidence frequency the phase velocity of the wave in the membrane is identical to the phase velocity in the air.
  • the wave separates from the membrane at an angle of about 0 °. Above the coincidence frequency, the angle increases up to 90 °, whereby the efficiency increases dramatically.
  • the coincidence frequency is therefore the lowest frequency at which flexural waves are converted into airborne sound waves. Below this frequency, pure piston oscillation is predominant.
  • Such speakers are characterized particularly advantageous by their flat design.
  • the membrane is thin and preferably flat or slightly curved.
  • the transducer is attached to and coupled to the back of the membrane.
  • the membrane is held in a frame of the housing of the loudspeaker.
  • the housing is located on the side facing away from the exhaust gas flow side of the membrane and also encloses the transducer.
  • the membrane must be designed to withstand the particular chemical and thermal requirements of an exhaust pipe. Another requirement is that it must be gas tight.
  • the loudspeaker is controlled by a control unit, which is coupled to a sensor via signal lines.
  • the exhaust muffler can thus both as Control circuit as well as constructed as a control circuit and thus actively attenuate the exhaust sound and with high efficiency.
  • a resonator to an opening in the wall of the exhaust gas-carrying pipe and assign this resonator at a distance from the opening a membrane. Due to the distance from the pipe, the membrane is thermally decoupled from the exhaust stream, so that low demands can be placed on the load capacity of the membrane. Furthermore, the resonator can be used to align the sound and focus it on the exhaust stream.
  • the membrane is made flat, as provided in claim 4. In this way, the calculation of the bending waves and the design of the membrane are significantly simplified. In addition, a compact design is achieved in large membranes, which can be placed, for example, in the immediate vicinity of the exhaust pipe leading to the body floor of a motor vehicle.
  • the membrane can also be adapted adapted to the contour of the wall of the exhaust gas pipe (claim 5).
  • Such a slightly curved membrane is particularly easy to integrate into the exhaust gas piping. Therefore, the available space is used efficiently.
  • the membrane according to claim 6 is provided to steam the membrane on the side facing the exhaust stream with metal. This feature significantly increases the chemical resistance and temperature resistance of the membrane.
  • the membrane according to claim 7 on the side facing the exhaust gas stream to be covered with a stainless steel foil.
  • the exhaust sound is influenced in its properties essentially by the engine, that is its speed level and its load state, as well as by the temperature of the exhaust gas flow. Accordingly, it is provided in claim 8, to couple the control unit with a motor control electronics. Motor data can be continuously transmitted to the control unit during operation via the direct connection - without the need for cumbersome signal conversion with the associated loss of efficiency and time. For this purpose, appropriate interfaces must be provided on the output side of the engine control electronics and on the input side of the control unit.
  • the senor includes a temperature sensor for measuring the exhaust gas temperature in the exhaust gas piping. Since the speed of sound, as already shown, is particularly dependent on the temperature of the exhaust gas, the consideration of exhaust gas temperature increases the efficiency of the exhaust muffler significantly.
  • the sensor system comprises a throttle sensor for detecting the throttle position.
  • the throttle position allows to draw conclusions about the load condition of the engine.
  • sensors are common in today's motor vehicles and can also be used within the scope of the claimed invention.
  • the senor may include a sensor for detecting the engine speed (claim 11).
  • the sensor a Pressure sensor or a microphone for detecting the exhaust noise in the exhaust gas piping comprises. This sensor is then run as well as the speaker exhaust resistant.
  • control unit is microprocessor-controlled.
  • This feature allows flexible adaptation of the exhaust muffler to different practical conditions.
  • the control behavior of the control unit is now program-controlled.
  • the programs can be changed or exchanged via a corresponding interface on the control unit. In this way, a design of the exhaust sound in the sense of a sound design is possible.
  • a microprocessor-controlled control unit also simplifies the vehicle-independent installation of the exhaust silencer, since with the same hardware, only the software has to be adapted.
  • control behavior of the control unit can be adjustable. In this way, the driver is allowed to influence the sound of the vehicle directly via switches or knobs, e.g. to make it sound particularly sporty or quiet.
  • the transducer is a voice coil.
  • Voice coils are characterized by their compact design and the fact that they comprise only a few moving parts.
  • the converter of claim 17 comprises an electric motor, to whose drive shaft an eccentric is fixed, which is coupled via a connecting rod with the membrane. In this way, a vibration of the membrane in a frequency can be generated particularly easily and in a robust manner.
  • the electric motor can be arranged spatially separated from the exhaust gas flow, so that the thermal load of the converter is significantly reduced.
  • a transducer which is attached directly to the membrane, should be made particularly resistant to heat (claim 18).
  • a housing is provided, wherein the membrane and the transducer are arranged in the housing.
  • the housing essentially serves two Purpose, namely the protection against environmental influences and to facilitate assembly by the converter with the diaphragm and the housing can be delivered prefabricated assembly in the assembly.
  • FIG. 1 is an active exhaust muffler 1 for an exhaust gas pipe 2 shown using the example of a motor vehicle.
  • the active exhaust muffler 1 By the active exhaust muffler 1, the sound of the exhaust gas is superimposed with phase-shifted by 180 ° compensation sound of a speaker 3 and thus damped or extinguished.
  • the flat speaker 3 is inserted in a side opening 4 in the wall 5 of the exhaust gas pipe 2 of a motor, not shown.
  • the loudspeaker 3 has a membrane 7 arranged in a housing 6 and a voice coil 8.
  • the membrane 7 is thin and made of a multilayer material so that it has a particularly low coincidence frequency and a broad frequency spectrum within which it oscillates.
  • the exhaust gas resistance and density of the membrane 7 is ensured by being vapor-deposited with metal.
  • the membrane 7 is oriented so that its surface 9 comes into contact with the exhaust gas flow AS.
  • the voice coil 8 is fixed and stimulates the diaphragm 7 to oscillate, thereby bending waves propagate to the exhaust gas facing surface 9 of the membrane 7.
  • the voice coil 8 is also made heat resistant.
  • the speaker 3 has enough potential to generate compensation sound in the required intensity.
  • the loudspeaker 3 is controlled by a microprocessor-controlled control unit 10, which is fastened separately to the vehicle body, not shown in detail.
  • This has further interfaces 11-16 for a sensor, for an operating unit 17, for data transfer and power supply.
  • the control unit 10 calculates a compensation oscillation. This is converted into an electrical oscillation by a digital / analog converter 18 and amplified by an amplifier 19 belonging to the control unit before it is forwarded to the loudspeaker 3.
  • the calculation of the compensation oscillation is program-controlled.
  • the programs are interchangeable via the data transfer interface 12. Specific programs are provided for different vehicle types.
  • the control behavior of the control unit 10 can be modified by the driver via an operating unit 17, for. B. to give the sound of the vehicle a sporty or gentle touch or to make the vehicle noise quieter or louder.
  • the sensor system comprises a direct coupling of the control unit 10 with a motor control electronics 20, a temperature sensor 21 and a microphone 22, which are attached to the exhaust gas-carrying pipe 2.
  • the signal transmission takes place via suitable signal lines 27.
  • the engine control electronics 20 transmit the rotational speed and the load state of the engine via a special output interface 23 to the control unit 10.
  • the temperature sensor 21 receives the temperature of the exhaust gas flow AS in the pipeline 2 in the immediate vicinity of the loudspeaker 3. It is designed to be resistant to exhaust gases.
  • the exhaust-resistant microphone 22 is inserted upstream of the speaker 3 in a second opening 24 in the wall 5 of the pipe 2.
  • an operating unit 17 is provided. This is arranged so that it can be operated by the driver while driving. It comprises switch 25 and rotary control 26.
  • the control unit 17 is coupled to the control unit 10 via a signal line 27.
  • the Indian FIG. 2 shown exhaust muffler 1 corresponds to the basic structure of the previously described. Therefore, corresponding components or component components are provided with the same reference numerals.
  • the difference between the variants of FIG. 1 and FIG. 2 is that the speaker 3 is attached to a resonator 28 which in the side opening 4 in the wall 5 of the exhaust gas pipe 2 is inserted.
  • the resonator 28 is funnel-shaped and consists of sheet metal.
  • the membrane 7 is now arranged at a distance A from the opening 4. The sound generated by the diaphragm 7 propagates in the resonator 28 and is superimposed in the pipe 2 with the exhaust gas sound after it has passed through the opening 4.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen aktiven Abgasschalldämpfer für abgasführende Rohrleitungen gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • In Abgasanlagen von Kraftfahrzeugen werden Abgasschalldämpfer vorgesehen, um die vom Motor ausgehende Intensität des Abgasschalls auf ein akzeptables Maß zu dämpfen. Der Schalldruckpegel kann bis zu 160 dB(A) betragen. Gesetzliche Vorgaben geben daher einen rechtlichen Rahmen für die Schalldämpfung vor.
  • Passive Schalldämpfer arbeiten nach dem Prinzip der Schallabsorption und weisen faserige oder offenporige Materialien auf, die große und möglichst stark strukturierte Oberflächen haben. Der Abgasschall soll auf diese Weise in absorbierende und schalldämpfende Labyrinthe umgeleitet und reflektiert werden, so dass die Schallenergie abgebaut wird, bis der Abgasschall einen gewünschten Pegel unterschritten hat. Passive Schalldämpfer, die nach dem Prinzip der Schallabsorption arbeiten, stauen das Abgas. Insofern vermindern sie die Leistung des Motors.
  • Es wurden auch Abgasschalldämpfer vorgeschlagen, die sich das Prinzip des Gegenschalls zunutze machen, wobei störender Schall mit Kompensationsschall überlagert werden soll. Der Kompensationsschall soll die gleiche Frequenz und Intensität wie der störende Schall aufweisen, jedoch um 180° phasenverschoben sein. Durch die Interferenz wird eine Dämpfung des störenden Schalls erreicht, die im Idealfall zu einer vollständigen Auslöschung führt.
  • Gegenschall kann passiv durch speziell gestaltete Resonatoren oder aktiv über Lautsprecher erzeugt werden. Resonatoren können beispielsweise als λ/4-Rohr ausgeführt und seitlich an abgasführende Rohrleitungen angekoppelt sein. Am Ende des λ/4-Rohrs wird Schall phasenverschoben um 180° reflektiert. Die reflektierten Schallwellen überlagern sich mit dem störenden Schall und bewirken so die Schalldämpfung. Dabei ist jedoch die Zeit zu berücksichtigen, die der Schall braucht, um sich zwei Mal über die Länge des λ/4-Rohrs auszubreiten. Mitunter hat sich in abgasführenden Rohrleitungen aufgrund der dynamischen Verhältnisse die Frequenz des Abgasschalls zwischenzeitlich verändert, so dass es bei der Überlagerung mit dem reflektierten Schall nicht zu der gewünschten Kompensation kommt. Außerdem sind die Frequenzen, bei denen überhaupt eine Auslöschung möglich ist, aus physikalischen Gründen von vornherein auf Vielfache von λ/4 beschränkt.
  • Aufgrund dieser Einschränkungen wurden aktive Abgasschalldämpfer entwickelt, die Kompensationsschall durch Lautsprecher erzeugen und beispielsweise aus den Druckschriften DE 200 14 194 U1 , US 5 619 020 und JP 03 222 854 hervorgehen. Zur Generierung des Kompensationsschalls wird auf Steuerkreise und Regelkreise zurückgegriffen. In Steuerkreisen nehmen Sensoren für den Abgasschall relevante Parameter auf, wie z. B. die Motordrehzahl, den Lastzustand des Motors und die Temperatur des Abgases. Eine Kontrolleinheit erzeugt auf Basis dieser Eingangssignale ensprechende Ausgangssignale, mit denen der an der abgasführenden Rohrleitung angeordnete Lautsprecher angesteuert wird. Derartige Steuerkreise sind relativ einfach herzustellen und liefern akzeptable Ergebnisse bei günstigen Kosten.
  • Die Schalldämpfung kann durch einen Regelkreis weiter verbessert werden. Hierbei wird die Sensorik vorzugsweise um einen Drucksensor oder um ein Mikrofon ergänzt. Auf Basis des von dieser Sensorik aufgenommen Abgasschalls kann dann die Kontrolleinheit in Verbindung mit dem Lautsprecher exakt abgestimmten Kompensationsschall erzeugen, der an die dynamischen Veränderungen des Abgasschalls angepasst ist und von daher ein hohe Dämpfungswirkung hat.
  • Die physikalischen Rahmenbedingungen bei der Dämpfung von Abgasschall sind außerordentlich schwierig. Der Abgasschall hat, wie oben bereits beschrieben, einen Schalldruckpegel von bis zu 160 dB(A), wobei der Abgasstrom pulsiert. Die Abgastemperatur in der abgasführenden Rohrleitung kann bis zu 600°C betragen, wodurch sich die Schallgeschwindigkeit von 330 m/s auf 600 m/s erhöht. Zudem ist Abgas chemisch außerordentlich aggressiv.
  • Die bisher zur Abgasschalldämpfung eingesetzten herkömmlichen Konuslautsprecher halten den harten physikalischen Bedingungen nicht stand. Die Membran und Magnete verschleissen sehr schnell. Versuchsweise wurden deshalb Titan-Membranen eingesetzt; diese sind jedoch für die Massenfertigung zu teuer. Zudem werden zur Erzeugung von tiefen Frequenzen großflächige Membranen und schwere Magnete benötigt, für die z. B. in Kraftfahrzeugen kein Bauraum zur Verfügung steht und die aufgrund ihres Gewichts nicht für die Serienfertigung in Betracht gezogen werden.
  • Eine neue Bauform für Lautsprecher ist in der DE 102 38 325 A1 beschrieben. Es handelt sich dabei um einen Lautsprecher, dessen Membran durch einen elektromagnetischen Wandler in longitudinale Schwingungsbewegungen in einer Richtung senkrecht zur Membranausdehnung versetzt wird. Die Bauform ermöglicht eine besonders flache Ausführung des Lautsprechers und zeichnet sich durch eine besonders vorteilhafte Schallcharakteristik aus.
  • Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen aktiven Abgasschalldämpfer zu schaffen, der unabhängig vom Fahrzeugtyp den Abgasschall mit Kompensationsschall in der erforderlichen Intensität überlagert und der sich zudem durch eine kompakte Bauform und Beständigkeit bzw. Zuverlässigkeit auszeichnet.
  • Diese Aufgabe wird mit den im Patenanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
  • Kerngedanke ist hierbei, den Abgasschall mit Kompensationsschall eines Lautsprechers zu überlagern, der als elektroakustischer Wandler auf Basis von Biegewellen arbeitet. Derartige Lautsprecher weisen eine Membran auf, an deren Oberfläche sich Biegewellen und Schubwellen ausbreiten, wenn sie durch einen Wandler zu Schwingungen angeregt wird.
  • Die Wellenausbreitung in Membranen erfolgt auf unterschiedliche Weise. Während in dickeren Membranen Dichte- und Dehnwellen dominant sind, entstehen in dünneren Medien außerdem Biege- und Schubwellen. Für die Anwendung in Lautsprechern haben sich die Biegewellenanteile wegen ihrer Amplitude und ihres Ausbreitungsverhalten als geeignet erwiesen. Das Ausbreitungsverhalten von Biegewellen in einer Membran wird maßgeblich durch die Biegesteifigkeit der Membran beeinflusst. Die Biegesteifigkeit ist frequenzabhängig. Bei der sogenannten Koinzidenzfrequenz ist die Phasengeschwindigkeit der Welle in der Membran identisch mit der Phasengeschwindigkeit in der Luft. Bei dieser Frequenz löst sich die Welle von der Membran unter einem Winkel von ca. 0°. Oberhalb der Koinzidenzfrequenz erhöht sich der Winkel auf bis zu 90°, wobei sich der Wirkungsgrad sprunghaft erhöht. Die Koinzidenzfrequenz stellt daher die niedrigste Frequenz dar, bei der Biegewellen in Luft-Schallwellen umgewandelt werden. Unterhalb dieser Frequenz ist reine Kolbenschwingung vorherrschend.
  • Derartige Lautsprecher zeichnen sich besonders vorteilhaft durch ihre flache Bauform aus. Die Membran ist dünn und vorzugsweise eben oder leicht gewölbt. Der Wandler ist auf der Rückseite der Membran befestigt und mit dieser gekoppelt. Die Membran ist in einem Rahmen des Gehäuses des Lautsprechers gehaltert. Das Gehäuse befindet sich auf der dem Abgasstrom abgewandten Seite der Membran und umschließt auch den Wandler.
  • Die Membran muss so ausgeführt sein, dass sie den besonderen chemischen und thermischen Anforderungen einer abgasführenden Rohrleitung standhält. Eine weitere Voraussetzung ist, dass sie abgasdicht sein muss.
  • Der Lautsprecher wird von einer Kontrolleinheit angesteuert, die mit einer Sensorik über Signalleitungen gekoppelt ist. Der Abgasschalldämpfer kann somit sowohl als Steuerkreis wie auch als Regelkreis aufgebaut sein und so den Abgasschall aktiv und mit einem hohen Wirkungsgrad dämpfen.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen 2 bis 19.
  • In der Weiterbildung der Erfindung gemäß Patentanspruch 2 ist vorgesehen, die Membran in einer Öffnung in der Wandung der abgasführenden Rohrleitung anzuordnen. Diese Weiterbildung ermöglicht eine besonders kompakte Bauform, wobei sich der Lautsprecher in unmittelbarer Nähe zur abgasführenden Rohrleitung befindet. Durch die unmittelbare Koppelung des Lautsprechers mit dem Abgasstrom vereinfacht sich die Dämpfung erheblich, weil weniger Faktoren bei der Generierung des Gegenschalls berücksichtigt werden müssen.
  • Alternativ ist es gemäß Patentanspruch 3 möglich, einen Resonator an eine Öffnung in der Wandung der abgasführenden Rohrleitung anzuschließen und diesem Resonator im Abstand von der Öffnung eine Membran zuzuordnen. Durch den Abstand von der Rohrleitung wird die Membran von dem Abgasstrom thermisch entkoppelt, so dass geringe Anforderungen an die Belastbarkeit der Membran gestellt werden können. Ferner kann der Resonator genutzt werden, um den Schall auszurichten und ihn auf den Abgasstrom zu fokussieren.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Membran eben ausgeführt ist, wie es in Anspruch 4 vorgesehen ist. Auf diese Weise werden die Berechnung der Biegewellen und die Auslegung der Membran deutlich vereinfacht. Zudem wird bei großen Membranen eine kompakte Bauform erreicht, die beispielsweise in unmittelbarer Nähe zur Abgas führenden Rohrleitung am Karosserieboden eines Kraftfahrzeuges platziert werden kann.
  • Die Membran kann aber auch in Anpassung an die Kontur der Wandung der abgasführenden Rohrleitung angepasst ausgeführt sein (Patentanspruch 5). Eine derartige leicht gewölbte Membran lässt sich besonders einfach in die abgasführende Rohrleitung integrieren. Daher wird der zur Verfügung stehende Bauraum effizient genutzt.
  • In der vorteilhaften Weiterbildung gemäß Patentanspruch 6 ist vorgesehen, die Membran auf der dem Abgasstrom zugewandten Seite mit Metall zu bedampfen. Durch dieses Merkmal werden die chemische Beständigkeit und die Temperaturbeständigkeit der Membran deutlich erhöht. Alternativ kann die Membran nach Patentanspruch 7 auf der dem Abgasstrom zugewandten Seite mit einer Edelstahlfolie zu bedeckt sein.
  • Der Abgasschall wird in seinen Eigenschaften im Wesentlichen durch den Motor, das heißt sein Drehzahlniveau und seinen Lastzustand, sowie durch die Temperatur des Abgasstroms beeinflusst. Dementsprechend ist in Patentanspruch 8 vorgesehen, die Kontrolleinheit mit einer Motorsteuerungselektronik zu koppeln. Über die direkte Verbindung können im Betrieb kontinuierlich Motordaten an die Kontrolleinheit übermittelt werden - ohne dass eine umständliche Signalumwandlung mit den einhergehenden Wirkungsgrad- und Zeitverlusten erforderlich ist. Zu diesem Zweck sind entsprechende Schnittstellen ausgangsseitig der Motorsteuerungselektronik und eingangseitig der Kontrolleinheit vorzusehen.
  • In Patentanspruch 9 umfasst die Sensorik einen Temperatursensor zur Messung der Abgastemperatur in der abgasführenden Rohrleitung. Da die Schallgeschwindigkeit, wie bereits dargestellt, in besonderem Maße von der Temperatur des Abgases abhängig ist, erhöht die Berücksichtigung Abgastemperatur den Wirkungsgrad des Abgasschalldämpfers wesentlich.
  • Gemäß Patentanspruch 10 umfasst die Sensorik einen Drosselklappensensor zur Erfassung der Drosselklappenstellung. Die Drosselklappenstellung erlaubt es, Rückschlüsse auf den Lastzustand des Motors zu ziehen. Derartige Sensoren sind in heutigen Kraftfahrzeugen üblich und können auch im Rahmen der beanspruchten Erfindung genutzt werden.
  • Darüber hinaus kann die Sensorik einen Sensor zur Erfassung der Motordrehzahl umfassen (Patentanspruch 11).
  • Ein besonders hoher Wirkungsgrad bei der Dämpfung des Abgasschalls wird erreicht, wenn ein Regelkreis zur Generierung des Kompensationsschalls aufgebaut wird. Deswegen ist in Patentanspruch 12 vorgesehen, dass die Sensorik einen Drucksensor oder ein Mikrofon zur Erfassung des Abgasschalls in der abgasführenden Rohrleitung umfasst. Diese Sensorik ist dann ebenso wie der Lautsprecher abgasbeständig auszuführen.
  • In der vorteilhaften Weiterbildung gemäß Patentanspruch 13 ist die Kontrolleinheit mikroprozessorgesteuert. Dieses Merkmal ermöglicht eine flexible Anspassungen des Abgasschalldämpfers an unterschiedliche Praxisbedingungen. Das Steuerverhalten der Kontrolleinheit ist nunmehr programmgesteuert. Die Programme können verändert oder über eine entsprechende Schnittstelle an der Kontrolleinheit ausgetauscht werden. Auf diese Weise wird eine Gestaltung des Abgasschalls im Sinne eines Sound-Designs ermöglicht. Eine mikroprozessorgesteuerte Kontrolleinheit vereinfacht zudem den fahrzeugunabhängigen Einbau des Abgasschalldämpfers, da bei gleichbleibender Hardware lediglich die Software angepasst werden muss.
  • Es ist in Patentanspruch 15 ferner vorgesehen, dass das Steuerverhalten der Kontrolleinheit einstellbar sein kann. Auf diese Weise wird es dem Fahrer nach Belieben ermöglicht, über Schalter oder Drehregler auf das Geräusch des Fahrzeugs unmittelbar Einfluss zu nehmen, z.B. um es besonders sportlich oder auch leise klingen zu lassen.
  • Gemäß Patentanspruch 16 ist der Wandler eine Schwingspule. Schwingspulen zeichnen sich durch ihre kompakte Bauform und durch die Tatsache aus, dass sie nur wenige bewegte Teile umfassen. Alternativ umfasst der Wandler des Patentanspruchs 17 einen Elektromotor, an dessen Antriebswelle ein Exzenter befestigt ist, der über einen Pleuel mit der Membran gekoppelt ist. Auf diese Weise lässt sich eine Schwingung der Membran in einer Frequenz besonders einfach und auf robuste Weise erzeugen. Durch die Anordnung kann der Elektromotor räumlich getrennt vom Abgasstrom angeordnet werden, so dass die thermische Beanspruchung des Wandlers deutlich verringert wird. Ein Wandler, der unmittelbar an der Membran befestigt ist, sollte besonders hitzebeständig ausgeführt sein (Patentanspruch 18).
  • Gemäß Patentanspruch 19 ist ein Gehäuse vorgesehen, wobei die Membran und der Wandler im Gehäuse angeordnet sind. Das Gehäuse dient im Wesentlichen zwei Zwecken, und zwar dem Schutz vor Umwelteinflüssen und zur Erleichterung der Montage, indem der Wandler mit der Membran und dem Gehäuse als Baugruppe vorgefertigt in die Montage geliefert werden kann.
  • Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
    • Figuren 1 und 2
    Längsschnitte durch zwei Ausführungsformen eines aktiven Abgasschalldämpfers.
  • In Figur 1 ist ein aktiver Abgasschalldämpfer 1 für eine abgasführende Rohrleitung 2 am Beispiel eines Kraftfahrzeuges dargestellt. Durch den aktiven Abgasschalldämpfer 1 wird der Schall des Abgases mit um 180° phasenverschobenem Kompensationsschall eines Lautsprechers 3 überlagert und somit gedämpft bzw. ausgelöscht.
  • Der flache Lautsprecher 3 ist in einer seitlichen Öffnung 4 in der Wandung 5 der abgasführenden Rohrleitung 2 eines nicht näher dargestellten Motors eingesetzt. Der Lautsprecher 3 weist eine in einem Gehäuse 6 angeordnete Membran 7 und eine Schwingspule 8 auf. Die Membran 7 ist dünn und aus einem mehrschichtigen Material, so dass sie eine besonders niedrige Koinzidenzfrequenz und ein breites Frequenzspektrum, innerhalb dessen sie schwingt, aufweist. Die Abgasbeständigkeit und -dichtigkeit der Membran 7 wird dadurch gewährleistet, dass sie mit Metall bedampft ist. Die Membran 7 ist so ausgerichtet, dass ihre Oberfläche 9 mit dem Abgasstrom AS in Kontakt kommt. Auf der Rückseite der Membran 7 ist die Schwingspule 8 befestigt und regt die Membran 7 zu Schwingungen an, wobei sich dadurch Biegewellen an der dem Abgas zugewandten Oberfläche 9 der Membran 7 ausbreiten. Die Schwingspule 8 ist ebenfalls hitzebeständig ausgeführt. Der Lautsprecher 3 verfügt über genügend Potential um Kompensationsschall in der benötigten Intensität zu erzeugen.
  • Der Lautsprecher 3 wird von einer mikroprozessorgesteuerten Kontrolleinheit 10 angesteuert, die separat an der nicht näher dargestellten Karosserie des Fahrzeugs befestigt ist. Diese verfügt über weitere Schnittstellen 11-16 für eine Sensorik, für eine Bedieneinheit 17, zum Datentransfer und zur Spannungsversorgung. Auf Basis der von der Sensorik übermittelten Signale berechnet die Kontrolleinheit 10 eine Kompensationsschwingung. Diese wird von einem Digital-/Analogwandler 18 in eine elektrische Schwingung umgewandelt und von einem zur Kontrolleinheit gehörenden Verstärker 19 verstärkt, bevor sie an den Lautsprecher 3 weitergeleitet wird. Die Berechnung der Kompensationsschwingung erfolgt programmgesteuert. Die Programme sind über die Datentransferschnittstelle 12 austauschbar. Für unterschiedliche Fahrzeugtypen sind jeweils spezifische Programme vorgesehen. Das Steuerverhalten der Kontrolleinheit 10 kann vom Fahrer über eine Bedieneinheit 17 modifiziert werden, z. B. um den Klang des Fahrzeugs eine sportliche oder sanfte Note zu verleihen bzw. um das Fahrzeuggeräusch leiser oder lauter einzustellen.
  • Die Sensorik umfasst eine direkte Kopplung der Kontrolleinheit 10 mit einer Motorsteuerungselektronik 20, einen Temperatursensor 21 und ein Mikrofon 22, die an der abgasführenden Rohrleitung 2 befestigt sind. Die Signalübertragung erfolgt über geeignete Signalleitungen 27. Von der Motorsteuerungselektronik 20 werden die Drehzahl und der Lastzustand des Motors über eine spezielle Ausgangsschnittstelle 23 an die Kontrolleinheit 10 übertragen. Der Temperatursensor 21 nimmt die Temperatur des Abgasstroms AS in der Rohrleitung 2 in unmittelbarer Nähe des Lautsprechers 3 auf. Er ist abgasbeständig ausgeführt. Das abgasbeständige Mikrofon 22 ist stromaufwärts des Lautsprechers 3 in einer zweiten Öffnung 24 in der Wandung 5 der Rohrleitung 2 eingesetzt.
  • Zur Beeinflussung des Fahrzeugklangs ist eine Bedieneinheit 17 vorgesehen. Diese ist so angeordnet, dass sie vom Fahrer beim Fahren betätigt werden kann. Sie umfasst Schalter 25 und Drehregler 26. Die Bedieneinheit 17 ist über eine Signalleitung 27 mit der Kontrolleinheit 10 gekoppelt.
  • Der in der Figur 2 dargestellte Abgasschalldämpfer 1 entspricht vom grundsätzlichen Aufbau dem zuvor beschriebenen. Von daher sind einander entsprechende Bauteile bzw. Bauteilkomponenten mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Der Unterschied zwischen den Ausführungsvarianten von Figur 1 und Figur 2 besteht darin, dass der Lautsprecher 3 an einem Resonator 28 befestigt ist, der in die seitliche Öffnung 4 in der Wandung 5 der abgasführenden Rohrleitung 2 eingesetzt ist. Der Resonator 28 ist trichterförmig ausgeführt und besteht aus Blech. Die Membran 7 ist nunmehr im Abstand A von der Öffnung 4 angeordnet. Der von der Membran 7 erzeugte Schall breitet sich im Resonator 28 aus und überlagert sich in der Rohrleitung 2 mit dem Abgasschall, nachdem er die Öffnung 4 passiert hat.
    • Bezugszeichen:
    • 1 -
    Abgasschalldämpfer
    2 -
    Rohrleitung
    3 -
    Lautsprecher
    4 -
    Öffnung
    5 -
    Wandung
    6-
    Gehäuse
    7-
    Membran
    8 -
    Schwingspule
    9-
    Oberfläche
    10-
    Kontrolleinheit
    11 -
    Schnittstelle zur Motorelektronik
    12 -
    Datentransferschnittstelle
    13 -
    Mikrofoneingang
    14 -
    Schnittstelle für Temperatursensor
    15 -
    Eingang für Spannungsversorgung
    16 -
    Schnittstelle für Bedieneinheit
    17 -
    Bedieneinheit
    18 -
    Digital-/Analogwandler
    19 -
    Verstärker
    20 -
    Motorsteuerungselektronik
    21 -
    Temperatursensor
    22 -
    Mikrofon
    23 -
    Ausgangsschnittstelle
    24 -
    Öffnung
    25 -
    Schalter
    26 -
    Drehregler
    27 -
    Signalleitung
    28 -
    Resonator
    A -
    Abstand
    AS -
    Abgasstrom

Claims (19)

  1. Aktiver Abgasschalldämpfer für abgasführende Rohrleitungen, mit einer Sensorik (20-22), welche mit einer einen Wandler (8) ansteuernden Kontrolleinheit (10) verbunden ist, wobei durch den Wandler (8) eine mit einem Abgasstrom (AS) in der abgasführenden Rohrleitung (2) akustisch gekoppelte, abgasbeständige und abgasdichte Membran (7) in Schwingungen versetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich aufgrund der Anregung durch den Wandler (8) auf der dem Abgasstrom (AS) zugewandten Oberfläche (9) der Membran (7) Biegewellen ausbilden, zur Erzeugung von auf den Abgasschall abgestimmtem Körperschall.
  2. Abgasschalldämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (7) in einer Öffnung (4) in der Wandung (5) der abgasführenden Rohrleitung (2) angeordnet ist.
  3. Abgasschalldämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an eine Öffnung (4) in der Wandung (5) der abgasführenden Rohrleitung (2) ein Resonator (28) angeschlossen ist, wobei die dem Resonator (28) zugeordnete Membran (7) im Abstand (A) zu der Öffnung (4) angeordnet ist.
  4. Abgasschalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (7) eben ausgeführt ist.
  5. Abgasschalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (7) in Anpassung an die Kontur der Wandung (5) der abgasführenden Rohrleitung (2) ausgeführt ist.
  6. Abgasschalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (7) auf der dem Abgasstrom (AS) zugewandten Oberfläche (9) mit Metall bedampft ist.
  7. Abgasschalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (7) auf der dem Abgasstrom (AS) zugewandten Oberfläche (9) mit einer Edelstahlfolie bedeckt ist.
  8. Abgasschalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit (10) mit einer Motorsteuerungselektronik (20) gekoppelt ist.
  9. Abgasschalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorik einen Temperatursensor (21) zur Messung der Abgastemperatur in der abgasführenden Rohrleitung (2) umfasst.
  10. Abgasschalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorik einen Drosselklappensensor zur Erfassung der Drosselklappenstellung umfasst.
  11. Abgasschalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorik einen Drehzahlsensor zur Erfassung der Motordrehzahl umfasst.
  12. Abgasschalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorik einen Drucksensor, vorzugsweise ein Mikrofon (22), zur Erfassung des Abgasschalls in der abgasführenden Rohrleitung (2) umfasst.
  13. Abgasschalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit (10) mikroprozessorgesteuert ist.
  14. Abgasschalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit (10) einen Verstärker (19) umfasst.
  15. Abgasschalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerverhalten der Kontrolleinheit (10) einstellbar ist.
  16. Abgasschalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler eine Schwingspule (8) ist.
  17. Abgasschalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler (8) einen Elektromotor umfasst, an dessen Antriebswelle ein Exzenter befestigt ist, der über ein Pleuel mit der Membran (7) gekoppelt ist.
  18. Abgasschalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler (8) hitzebeständig ausgeführt ist.
  19. Abgasschalldämpfer nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuse (6) vorgesehen ist, wobei die Membran (7) und der Wandler (8) im Gehäuse (6) angeordnet sind.
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