Geräuschdämpfungsvorrichtung mit einem Helmholtz-Resonator bei Anlagen mit pulsierenden Gasströmungen

Abstract

 Die vorliegende Erfindung betrifft eine Geräuschdämpfungsvorrichtung (1) zur Reduktion von Mündungsgeräuschen bei Anlagen mit pulsierenden Gasströmungen, insbesondere bei einer Frischluftansauganlage oder einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine. Die Geräuschdämpfungsvorrichtung (1) weist einen Helmholtz-Resonator (2) auf, der über zwei verschieden dimensionierte Verbindungshälse (4, 5) mit einem Gasströmungskanal (6) verbunden ist, in dem ein pulsierendes Gas strömt. Die Kammer (3) kommuniziert über den ersten Verbindungshals (4) permanent mit dem Gasströmungskanal (6). Der zweite Verbindungshals (5) ist mittels eines Schaltglieds (8) zwischen einem aktiviertem Zustand, in dem die Kammer (3) über den zweiten Verbindungshals (5) mit dem Gasströmungskanal (6) kommuniziert, und einem deaktiviertem Zustand umschaltbar, in dem die Kammer (3) über den zweiten Verbindungshals (5) nicht mit dem Gasströmungskanal (6) kommuniziert.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Geräuschdämpfungsvorrichtung zur Reduktion von Mündungsgeräuschen bei Anlagen mit pulsierenden Gasströmungen, insbesondere bei einer Frischluftansauganlage oder einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine, z.B. in einem Kraftfahrzeug.

[0002] Eine derartige Geräuschdämpfungsvorrichtung ist aus der DE 43 05 333 C1 bekannt und verfügt über einen Helmholtz-Resonator, dessen Kammer über mehrere identische Verbindungshälse mit einem Gasströmungskanal kommuniziert, in dem ein pulsierendes Gas, insbesondere zu einer Brennkraftmaschine hinströmende Frischluft oder von der Brennkraftmaschine abströmendes Abgas, strömt. Die für die Entstehung der Mündungsgeräusche am Frischlufteintritt der Frischluftansauganlage oder am Abgasaustritt der Abgasanlage ursächlichen Druckpulsationen in der Gasströmung entstehen vorwiegend durch den Verbrennungsprozess in der Brennkraftmaschine.

[0003] Bei der bekannten Geräuschdämpfungsvorrichtung können die registerartig hintereinander angeordneten Verbindungshälse entweder mit einem gemeinsamen Schaltglied nacheinander geöffnet oder geschlossen werden oder mit Hilfe separater Schaltglieder einzeln geöffnet oder geschlossen werden. Bei einer speziellen Variante ist einer der Verbindungshälse nicht schaltbar, also immer offen und verbindet daher permanent die Kammer mit dem Gasströmungskanal. Unter einem geöffneten Verbindungshals wird hier ein Verbindungshals verstanden, durch den Druckwellen vom Gasströmungskanal in die Kammer einlaufen und gegebenenfalls zurücklaufen können. Die geöffneten Verbindungshälse sind somit in einem aktivierten Zustand, in dem sie die Kammer mit dem Gasströmungskanal verbinden. Im Unterschied dazu ist bei einem geschlossenen Verbindungshals kein Austausch von Schallwellen zwischen Kammer und Gasströmungskanal möglich, so dass der geschlossene Verbindungshals insoweit deaktiviert ist und dementsprechend die Kammer nicht mit dem Gasströmungskanal verbindet.

[0004] Bei der bekannten Geräuschdämpfungsvorrichtung sind alle Verbindungshälse hinsichtlich Halsquerschnitt und Halslänge identisch ausgestaltet. Bei der bevorzugten Anwendung der vorliegenden Geräuschdämpfungsvorrichtung, also bei einer Brennkraftmaschine, hängt die Frequenz des Hauptstörgeräusches von der Drehzahl der Brennkraftmaschine ab. Die Geräuschdämpfungsvorrichtung der vorliegenden Art kann durch die Aktivierung einer entsprechenden Anzahl der Verbindungshälse die Resonanzfrequenz des Helmholtz-Resonators an die jeweiligen Betriebszustände der Brennkraftmaschine anpassen, um so in einem weiten Bereich unterschiedlicher Betriebszustände stets eine hinreichende Dämpfung der jeweiligen Hauptstörfrequenz erzielen zu können. Die bekannte Geräuschdämpfungsvorrichtung besitzt jedoch den Nachteil, dass der Aufwand zu ihrer Realisierung, insbesondere durch die große Anzahl an Schaltgliedern, relativ groß ist.

[0005] Aus der DE 196 18 432 A1 ist eine andere Geräuschdämpfungsvorrichtung bekannt, die ebenfalls mit einem Helmholtz-Resonator arbeitet. Um die Dämpfungswirkung des Heimholtz-Resonators zu verändern, ist es bei dieser Geräuschdämpfungsvorrichtung möglich, das teilweise durchströmte Dämpfungsvolumen durch umschaltbare Weichen und Klappen zu variieren. Nachteilig ist hierbei, dass die zur Strömungsführung verwendeten Schaltelemente im Strömungspfad liegen und dementsprechend durchströmt werden müssen.

[0006] Die DE 100 04 991 A1 zeigt eine weitere Geräuschdämpfungsvorrichtung, die einen Helmholtz-Resonator mit variabler Resonanzfrequenz aufweist. Hierbei kann durch eine geschickte Strömungsführung die Halslänge des das Resonatorvolumen mit dem Gasströmungskanal verbindenden Verbindungshalses zwischen zwei Längen variiert werden. Je nach wirksamer Halslänge ergibt sich dann eine andere Resonanzfrequenz. Nachteilig ist auch hier, dass die zur Strömungsführung verwendeten Blenden im Strömungspfad liegen und somit durchströmt werden.

[0007] Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Geräuschdämpfungsvorrichtung der eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die insbesondere in einem relativ großen Frequenzbereich eine ausreichende Dämpfung ermöglicht und dennoch relativ preiswert herstellbar ist.

[0008] Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführurigsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

[0009] Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Kammer des Helmholtz-Resonators über genau zwei oder über mindestens zwei unterschiedlich dimensionierte Verbindungshälse an den Gasströmungskanal anzuschließen, von denen der eine stets aktiv ist und nur der andere bedarfsabhängig aktivierbar und deaktivierbar ist. Durch diese Bauweise ist nur ein einziges Schaltglied erforderlich, was einen besonders preiswerten Aufbau ermöglicht. Bei der erfindungsgemäßen Geräuschdämpfungsvorrichtung sind zwar nur zwei verschiedene Resonanzfrequenzen einstellbar, jedoch kann durch eine geeignete Auswahl dieser beiden Resonanzfrequenzen für einen relativ breiten Frequenzbereich eine hinreichende Dämpfungswirkung erreicht werden. Insbesondere bei einer Anwendung in Verbindung mit einer Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, überwiegen die Kostenvorteile der erfindungsgemäßen Geräuschdämpfungsvorrichtung. Im Vergleich zu einer Anlage mit zwei verschiedenen Helmholtz-Resonatoren benötigt die vorliegende Geräuschdämpfungsvorrichtung einen deutlich reduzierten Einbauraum. Darüber hinaus können derartige halbaktive Systeme für ein gezieltes "Sound-Design" benutzt werden, um während des Betriebs der Brennkraftmaschine, insbesondere bei einem Kraftfahrzeug, dem Fahrzeugführer ein akustisches Feed-back über den aktuellen Betriebszustand der Brennkraftmaschine zu liefern.

[0010] Zweckmäßig können sich die beiden Verbindungshälse hinsichtlich Halsquerschnitt und/oder Halslänge voneinander unterscheiden. Durch eine geeignete Dimensionierung der beiden Verbindungshälse kann der Abstand zwischen den beiden einstellbaren Resonanzfrequenzen relativ groß gewählt werden, wodurch die Bandbreite der mit der erfindungsgemäßen Geräuschdämpfungsvorrichtung erzielbaren Dämpfungswirkung verbessert wird.

[0011] Vorteilhaft können bei einer Weiterbildung die beiden Verbindungshälse so aufeinander abgestimmt sein, dass die beiden Resonanzfrequenzen des Helmholtz-Resonators etwa eine Oktave voneinander beabstandet sind. Diese Ausführungsform eignet sich in besonderer Weise für eine Anwendung der Geräuschdämpfungsvorrichtung bei einer Brennkraftmaschine.

[0012] Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.

[0013] 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.

[0014] Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

[0015] Die einzige Fig. 1 zeigt eine stark vereinfachte Prinzipdarsteilung einer Geräuschdämpfungsvorrichtung nach der Erfindung.

[0016] Entsprechend Fig. 1 umfasst eine Geräuschdämpfungsvorrichtung 1 einen Helmholtz-Resonator 2 mit einer Kammer 3 und zwei Verbindungshälsen, nämlich einen ersten Verbindungshals 4 und einen zweiten Verbindungshals 5. Beide Verbindungshälse 4 und 5 verbinden die Kammer 3 mit einem Gasströmungskanal 6, in dem ein pulsierendes Gas strömt, was durch Pfeile 7 angedeutet ist. Dieser Gasströmungskanal 6 kann bei einer bevorzugten Anwendung der Geräuschdämpfungsvorrichtung 1 durch eine Frischluftleitung einer Frischluftansauganlage einer Brennkraftmaschine oder durch eine Abgasleitung einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, gebildet sein. Das Pulsieren der Gasströmung entsteht dabei durch die Ladungswechselvorgänge in der Brennkraftmaschine.

[0017] Erfindungsgemäß ist der, erste Verbindungshals 4 so gestaltet, dass die Kammer 3 über den ersten Verbindungshals 4 permanent mit dem Gasströmungskanal 6 kommuniziert. Im Unterschied dazu ist dem zweiten Verbindungshals 5 ein Schaltglied 8 zugeordnet, mit dessen Hilfe eine kommunizierende Verbindung zwischen der Kammer 3 und dem Gasströmungskanal 6 durch den zweiten Verbindungshals 5 geöffnet und geschlossen werden kann. In der hier gezeigten Ausführungsform ist das Schaltglied 8 beispielhaft als Klappe dargestellt, die zwischen einer mit durchgezogener Linie dargestellten Schließstellung einer mit unterbrochener Linie gezeigten Offenstellung verstellbar ist. In der Schließstellung des Schaltglieds 8 befindet sich der zweite Verbindungshals 5 in einem deaktivierten Zustand. Ein aktivierter Zustand des zweiten Verbindungshalses 5 ergibt sich bei geöffnetem Schaltglied 8. Das Schaltglied 8 ist beispielsweise mittels eines Stellglieds 9 betätigbar, dass seinerseits von einer Steuereinheit 10 betätigt wird. Diese Steuereinheit 10 kann bei einer Verwendung der Geräuschdämpfungsvorrichtung 1 für eine Brennkraftmaschine in ein Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine hardwaremäßig integriert und/oder softwaremäßig implementiert sein. Zweckmäßig betätigt die Steuereinheit 10 über das Stellglied 9 das Schaltglied 8 in Abhängigkeit der Drehzahl und/oder der Last der Brennkraftmaschine.

[0018] Erfindungsgemäß sind die beiden Verbindungshälse 4, 5 hinsichtlich Halslänge und/oder Halsquerschnitt unterschiedlich ausgebildet. Vorzugsweise ist bei der hier gezeigten Ausführungsform eine Halslänge L_H1 des ersten Verbindungshalses 4 größer als eine Halslänge L_H2 des zweiten Verbindungshalses 5. Desweiteren ist ein Halsquerschnitt S_H1 des ersten Verbindungshalses 4 kleiner als ein Halsquerschnitt S_H2 des zweiten Verbindungshalses 5. Desweiteren ist in Fig. 1 ein Querschnitt S_K des Gasströmungskanals 6 eingetragen.

[0019] Die unterschiedlichen Halslängen L_H1, L_H2 sind bei der hier gezeigten Ausführungsform dadurch realisiert, dass sich der zweite Verbindungshals 5 vom Gasstromungskanal 6, in den er nicht hineinragt, bis zu einer Wand 11 der Kammer 3 erstreckt. Dabei mündet der zweite Verbindungshals 5 an der Wand 11 in die Kammer 3 ein, ohne dabei in die Kammer 3 vorzustehen. Im Unterschied dazu erstreckt sich der erste Verbindungshals 4 durch die Wand 11 hindurch und ragt somit in die Kammer 3 hinein. Die Einmündung des ersten Verbindungshalses 4 in die Kammer 3 erfolgt somit beabstandet zur Wand 11 innerhalb der Kammer 3.

[0020] Zweckmäßig sind die beiden Verbindungshälse 4 und 5 hinsichtlich Halslänge L_H und Halsquerschnitt S_H so aufeinander abgestimmt, dass eine erste Resonanzfrequenz des Helmholtz-Resonators 2, die bei deaktiviertem zweiten Verbindungshals 5 vorliegt, etwa eine Oktave unterhalb einer zweiten Resonanzfrequenz liegt, die bei aktiviertem zweiten Verbindungshals 5 vorliegt. Durch diese Dimensionierung der Verbindungshälse 4, 5 ist die Geräuschdämpfungsvorrichtung 1 in besondere Weise an die Erfordernisse einer Brennkraftmaschine angepasst.

[0021] Eine vorteilhafte Abstimmung der Resonanzfrequenzen ergibt sich dann, wenn ein Verhältnis von Halslänge zu Halsquerschnitt L_H/S_H beim ersten Verbindungshals 4 größer ist als beim zweiten Verbindungshals 5:

[0022] Als besonders vorteilhaft hat sich dabei gezeigt, wenn das Verhältnis von Halslänge zu Halsquerschnitt L_H/S_H beim ersten Verbindungshals 4 mindestens doppelt so groß ist wie beim zweiten Verbindungshals 5:

[0023] Als weitere Dimensionierungsbedingung kann zusätzlich oder alternativ berücksichtigt werden, dass der Halsquerschnitt S_H2 des zweiten Verbindungshalses 5 zumindest größer ist als der halbe Querschnitt S_K das Gasströmungskanals 6:

[0024] Die vorliegende Geräuschdämpfungsvorrichtung 1 besitzt nur zwei Verbindungshälse 4, 5, von denen nur einem ein Einschaltglied 8 zugeordnet ist, wodurch die erfindungsgemäße Geräuschdämpfungsvorrichtung 1 einen besonders preiswerten Aufbau besitzt. Durch die gezielte Dimensionierung der Verbindungshälse 4, 5 können jedoch zwei relativ stark voneinander beabstandete Resonanzfrequenzen realisiert werden, die in Abhängigkeit der Schaltstellung des Schaltglieds 8 wechselweise aktivierbar sind. Hierdurch ist es mit der vorgeschlagenen Geräuschdämpfungsvorrichtung 1 trotz ihres einfachen Aufbaus möglich, für ein relativ breites Frequenzspektrum eine hinreichende Dämpfungswirkung zu erzielen. Die Geräuschdämpfungsvorrichtung 1 eignet sich dadurch insbesondere für eine Anwendung bei Brennkraftmaschine in Kraftfahrzeugen.

Ansprüche

1. Geräuschdämpfungsvorrichtung zur Reduktion von Mündungsgeräuschen bei Anlagen mit pulsierenden Gasströmungen, insbesondere bei einer Frischluftansauganlage oder einer Abgasanlage einer Brennkraftmaschine,

- mit einem Gasströmungskanal (6), in dem ein pulsierendes Gas strömt,

- mit einem Helmholtz-Resonator (2), dessen Kammer (3) über wenigstens zwei unterschiedlich dimensionierte Verbindungshälse, nämlich über einen ersten Verbindungshals (4) und über einen zweiten Verbindungshals (5), mit dem Gasströmungskanal (6) verbunden ist,

- wobei die Kammer (3) über den ersten Verbindungshals (4) permanent mit dem Gasströmungskanal (6) kommuniziert, während der zweite Verbindungshals (5) mittels eines Schaltglieds (8) zwischen einem aktivierten Zustand, in dem die Kammer (3) über den zweiten Verbindungshals (5) mit dem Gasströmungskanal (6) kommuniziert, und einem deaktivierten Zustand umschaltbar ist, in dem die Kammer (3) über den zweiten Verbindungshals (5) nicht mit dem Gasströmungskanal (6) kommuniziert.

2. Geräuschdämpfungsvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die beiden Verbindungshälse (4, 5) hinsichtlich Halsquerschnitt (S_H) und/oder Halslänge (L_H) unterschiedlich dimensioniert sind.

3. Geräuschdämpfungsvorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Halsquerschnitt (S_H2) des zweiten Verbindungshalses (5) größer ist als der Halsquerschnitt (S_H1) des ersten Verbindungshalses (4) .

4. Geräuschdämpfungsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Halslänge (L_H1) des ersten Verbindungshalses (4) größer ist als die Halslänge (L_H2) des zweiten Verbindungshalses (5).

5. Geräuschdämpfungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Verhältnis von Halslänge (L_H) zu Halsquerschnitt (S_H) beim ersten Verbindungshals (4) größer ist als beim zweiten Verbindungshals (5).

6. Geräuschdämpfungsvorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verhältnis von Halslänge (L_H) zu Halsquerschnitt (S_H) beim ersten Verbindungshals (4) mindestens doppelt so groß ist wie beim zweiten Verbindungshals (5).

7. Geräuschdämpfungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Halsquerschnitt (S_H2) des zweiten Verbindungshalses (5) größer ist als der halbe Querschnitt (S_K) des Gasströmungskanals (6).

8. Geräuschdämpfungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die beiden Verbindungshälse (4, 5) so aufeinander abgestimmt sind, dass die Resonanzfrequenz des Helmholtz-Resonators (2) bei aktiviertem zweiten Verbindungshals (5) etwa eine Oktave höher liegt als bei deaktiviertem zweiten Verbindungshals (5).

9. Geräuschdämpfungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass der zweite Verbindungshals (5) an einer Wand (11) der Kammer (3) in die Kammer (3) einmündet und dass der erste Verbindungshals (4) die Wand (11) durchdringt, in die Kammer (3) hineinragt und in der Kammer (3) in diese einmündet.

10. Geräuschdämpfungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Schaltglied (8) von einer Steuereinheit (10) in Abhängigkeit von Drehzahl und/oder Last einer Brennkraftmaschine betätigt wird, deren Frischluftansauganlage und/oder deren Abgasanlage mit der Geräuschdämpfungsvorrichtung (1) ausgestattet ist.

Zeichnung