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

Abstract

 Bei einem Arbeitsverfahren zur Schalldämpfung in Abgas­anlagen von Brennkraftmaschinen mit einer Drosselung der Abgasanlage in Abhängigkeit mindestens einer Betriebs­größe der Brennkraftmaschine wird vorgeschlagen, daß die Abgasanlage lediglich bei positiven Druckamplituden der dynamischen Abgasdruckschwankungen und synchron mit der Frequenz dieser Druckamplituden gedrosselt wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Arbeitsverfahren zur Schall­dämpfung in gasführenden Anlagen gemäß der im Oberbe­griff des Anspruches 1 beschriebenen Art.

[0002] Für Abgasanlagen von Brennkraftmaschinen, insbesondere in Kraftfahrzeugen, dienen zur Schalldämpfung Absorp­tionsdämpfer, Reflexionsdämpfer oder aus beiden kombi­nierte Einrichtungen. Es ist ferner bekannt, zur Schall­dämpfung einen Strömungsquerschnitt bis auf einen vorbestimmten Restquerschnitt zu drosseln. So zeigt beispielsweise die US-A-3 181 648 einen Schalldämpfer mit zur Ebene eines Durchströmquerschnittes winkelig angestellter Drosselklappe. Derartige Schalldämpfer mit Drosselklappen mit im Betrieb unveränderlichen Winkel­lagen sind nur in einem relativ geringen Frequenzbereich wirksam.

[0003] Den Nachteil der im Betrieb unveränderlichen Winkellage vermeidet ein aus der US-A-2 492 784 für ein Kraftfahr­zeug bekannter Schalldämpfer, der aus einem diffusorar­tigen Rohr mit einer etwa im größten Querschnitt schwenkbeweglich angeordneten Drosselklappe gebildet ist. Die Stärke der Schalldämpfung wird hierbei vom Fahrer des Kraftfahrzeuges durch willkürliche Änderungen der Winkellage der Drosselklappe bestimmt, wobei für die Änderung je nach den äußeren Umständen im wesentlichen entweder eine hohe Leistungsentfaltung der Maschine oder eine starke Schalldämpfung maßgebend sind. Eine wirksame Schalldämpfung bei geringem Leistungsverlust über einen relativ weiten Drehzahlbereich ist damit nicht erreich­bar.

[0004] Aus der US-A-3 751 921 ist eine Zweitakt-Brennkraftma­schine mit einer Abgasanlage bekannt, in der eine drehbewegliche Drosselklappe angeordnet ist. Die Dros­selklappe steht in Antriebsverbindung mit einem Stell­antrieb einer Steuereinrichtung, wobei als Steuergröße über der Maschinendrehzahl der Vorverdichtungsdruck im Kurbelgehäuse der Zweitaktmaschine dient. Da der Druck im Kurbelgehäuse mit der Maschinendrehzahl steigt, gibt die Drosselklappe mit zunehmender Abgaspulsations-­Frequenz den Strömungsquerschnitt immer mehr frei, bis sie schließlich parallel zur Strömung des Abgases gehalten wird. Nachteilig bei diesem Arbeitsverfahren ist, daß bei höheren Abgaspulsations-Frequenzen eine der Schalldämpfung dienende Drosselung nicht mehr gegeben ist.

[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Arbeits­verfahren zur Schalldämpfung in gasführenden Anlagen, insbesondere in Abgasanlagen von Brennkraftmaschinen, mittels Drosselung so zu verbessern, daß über einen gewünscht breiten Frequenzbereich der dynamischen Druckschwankungen im Strömungsmedium bei dessen Austritt aus der Anlage in die freie Umgebung eine wirksame Schalldämpfung ohne wesentliche Erhöhung des Strömungs­widerstandes erreicht ist.

[0006] Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Mitteln des Anspruches 1 gelöst. Kern der Erfindung ist es, den Strömungsquerschnitt einer gasführenden Anlage bei schallpegelbestimmenden Druckschwankungen entsprechend zeitlich zu ändern und damit die Schallanregung beim Austritt des Strömungsmediums aus der Anlage in die freie Umgebung zu reduzieren. Ein derartiges Arbeits­verfahren ist besonders wirksam in Abgasanlagen von Brennkraftmaschinen. In Verbindung mit dem Anspruch 2 ist dabei vorteilhaft, daß der Strömungsquerschnitt der Abgasanlage nur beim Auftreten positiver Druckamplituden reduziert bzw. gedrosselt wird, ansonsten jedoch der mit der Drosselung verbundene Strömungswiderstand reduziert wird. Die auf die Frequenz der positiven Amplitude abgestellte Drosselung mit lediglich zeitweise reduzier­tem Strömungsquerschnitt ergibt ferner eine wirksame Schalldämpfung in jedem Drehzahlbereich der Brennkraft­maschine über einen gewünscht breiten Frequenzbereich der Abgaspulsationen ohne wesentliche leistungsmindernde Rückwirkung auf die Maschine.

[0007] Weitere Vorteile bietet die Erfindung in Kombination mit einem stromauf der Drosselstelle in der Abgasanlage vorgesehenen Kammer, die beispielsweise durch einen herkömmlichen Absorptions- und/oder Reflexions-Dämpfer gegeben sein kann. Diese dient der Dämpfung von in/an der Drosselstelle reflektierten Druckwellen, deren evtl. leistungsmindernde Rückwirkung damit reduziert wird. In Verbindung mit einem herkömmlichen Schalldämpfer der o.g. Bauart bietet die Erfindung den wesentlichen Vorteil eines zusätzlichen Schalldämpfers. Dieser kann bei vorhandenen Abgasanlagen zur weiteren Absenkung des Auspuff-Geräuschpegels nachgerüstet werden. Der Schall­dämpfer nach Anspruch 1 der Erfindung kann bei kombi­nierter Anordnung mit einer Kammer bzw. einem Schall­dämpfer herkömmlicher Bauart durch geschickte Aufteilung der Dämpfungsanteile (tiefe und hohe Frequenzen) auf beide Dämpfersysteme dazu dienen, Bauvolumen und Bau­aufwand der herkömmlichen Absorptions- und/oder Refle­xions-Dämpfer wesentlich zu reduzieren. Dies wiederum ist vorteilhaft für die Gestaltung einer glatten Fahr­zeugunterseite bei Personenkraftwagen sowie für einen geringen Aufwand an Wärmedämmeinrichtungen und Schall­damm-Material.

[0008] Die Erfindung wird vorzugsweise durch eine schwenk­und/oder rotationsbeweglich angetriebene Drosselklappe verwirklicht, wobei ein elektrischer Motor (Schritt­schaltmotor) den Stellantrieb in einer Regeleinrichtung bzw. in einem Regelkreis bildet. Kern der Regelphiloso­phie hierbei ist, die momentane Winkellage der Drossel­klappe für von den Frequenzen der positiven Druckampli­tuden abhängig synchrone Zuordnungen über auf den OT eines Referenzzylinders der Brennkraftmaschine bezogene Winkellage der Kurbelwelle zu regeln. Aus gemessenen absoluten Winkellagen beider Einrichtungen können die relativen Winkellagen je nach Arbeitsverfahren der Brennkraftmaschine, deren Zylinderzahl und der Anzahl der bei einer Brennkraftmaschine vorhandenen Zylinder­gruppen zugeordneten Abgasanlagen entsprechend drehzahl­abhängig geregelt werden. Auf die Regeleinrichtung bzw. den Regelkreis bezogen heißt das, daß die relativen Phasenlagen zwischen den zeitlich harmonischen Signalen der Kurbelwellendrehung und den Signalen zur Drossel­klappenbetätigung in Abhängigkeit von der Motordrehzahl verändert werden, vorzugsweise über ein Kompensations­netzwerk. Für eine weitere, lastabhängige Synchronisa­tion der Schalldämpfer-Drosselklappe mit den Frequenzen der positiven Druckamplituden werden dem Kompensations­netzwerk weitere Signale zugeführt, vorzugsweise Zünd­impulssignale.

[0009] Bei der vorbeschriebenen Regelung wird davon ausgegan­gen, daß die Drosselklappe zur maximalen Schalldämpfung im wesentlichen bei Druckamplituden-Maximum den jewei­ligen Strömungsquerschnitt der Abgasanlage am stärksten drosselt. Für eine Drosselklappe in einem Rohrabschnitt der Abgasanlage bedeutet dies eine zur Rohrachse und damit zur Strömungsrichtung des Abgases senkrechte Winkellage, wobei der zwischen Drosselklappe und Rohr­wandung gewählte Ringspalt auf einen bestimmten, ggf. maximalen Abgas-Massendurchsatz ausgelegt ist. Für eine in Wechselwirkung der Drosselklappe mit einem herkömm­lichen Schalldämpfer bekannter Bauart erreichte Schall­dämpfung kann eine mehr oder weniger von der vorgenann­ten senkrechten Winkellage abweichende Position relativ zum Druckamplituden-Maximum günstig sein. Zur Erzielung einer derartigen momentanen Winkellage der Drosselklappe relativ zum Maximum der positiven Druckamplitude kann das Kompensationsnetzwerk mit einem gesonderten Kennfeld ausgerüstet sein, das als Eingangssignale Zündimpulse und/oder Drehzahlsignale in Verbindung mit Lastsignalen erhält.

[0010] Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung schema­tisch dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage für kombinierte Schalldämpfung durch einen herkömmlichen Dämpfer mit einer Drosselklappe,

Fig. 2 Stellungen der Drosselklappe bei zwei aufeinanderfolgenden Druckamplituden.

[0011] Eine lediglich schematisch dargestellte Sechs-Zylinder-­Brennkraftmaschine 1 umfaßt eine Abgasanlage 2 mit einer in Abschnitte 3, 4 und 5 unterteilten Sammelleitung 6, in die für Zylindergruppen vorgesehene Einzelleitungen 7 einmünden. Die Abschnitte 3 und 4 verbindet eine erste Kammer 8, die ein kombinierter Absorptions-/Reflexions-­Dämpfer sein kann. Weiter können die Abschnitte 4 und 5 über eine zweite Kammer 9 miteinander in Verbindung stehen, in der ein Nachschalldämpfer oder Katalysator angeordnet sein kann.

[0012] Zwischen den Kammern 8 und 9 ist in dem Abschnitt 4 der Sammelleitung 6 eine drehwinkelbeweglich angeordnete Drosselklappe 10 vorgesehen. Die Drosselklappe 10 ist unter Belassung eines umfänglichen Ringspaltes 11 im Rohrabschnitt 4 angeordnet. Weiter ist für die Drossel­klappe 10 ein elektrischer Motor (Schrittschaltmotor) 12 als Stellantrieb einer Regeleinrichtung 13 bzw. eines Regelkreises vorgesehen.

[0013] Die Regeleinrichtung 13 umfaßt einen ersten, mit der Kurbelwelle 14 der Brennkraftmaschine 1 verbundenen Drehwinkelgeber 15 und einen zweiten, mit dem Anker des Schrittmotors 12 verbundenen Drehwinkelgeber 16. Beide Drehwinkelgeber 15 und 16 geben ihre Signale α_KW und α_D an ein Kompensationsnetzwerk 17 der Regeleinrich­tung 13. Das Kompensationsnetzwerk 17 weist weitere Eingänge 18 und 19 für Zündimpulse und die OT-Marke eines Referenzzylinders der Brennkraftmaschine 1 auf. Über einen Ausgang 20 gehen Stellsignale des Kompen­sationsnetzwerkes 17 an den Schrittmotor 12.

[0014] Der Motor 12 wird so geregelt, daß er die Drosselklap­pe 10 bei Ankunft einer positiven Druckamplitude einer Abgas-Druckwelle im wesentlichen größtmöglich drosselt, Position A in Fig. 2. Der durch den im freien Drossel­querschnitt des Ringspaltes 11 erzielte Strömungswider­stand bewirkte Druckverlust in der Abgas-Druckwelle ergibt ein entsprechendes Maß an Schalldämpfung.

[0015] Zur Erzielung eines geringen Leistungsverlustes der Brennkraftmaschine 1 wird der Motor 12 weiter so gere­gelt, daß die Drosselklappe 10 zwischen zwei aufeinan­derfolgenden Druckamplituden-Maximalwerten den Strö­mungsquerschnitt des Rohrabschnittes 4 mehr oder weniger freigibt, Positionen B und C in Fig. 2. Damit wird die Abgasanlage 2 lediglich bei positiven Druckamplituden der dynamischen Abgasdruckschwankungen und synchron mit der Frequenz dieser Druckamplituden gedrosselt.

[0016] Die Frequenz der Druckamplituden bzw. der Abgas-Druck­schwankungen bzw. der Abgas-Pulsationen steht in einem festen Verhältnis mit der Frequenz der Drehzahl der Kurbelwelle 14 der Brennkraftmaschine 1. Bei einer Sechs-Zylinder-Vier-Takt-Brennkraftmaschine 1 beispiels­weise erfolgen die Druckamplituden bzw. Abgas-Pulsa­tionen nach der dritten Harmonischen der durch die Kurbelwellendrehzahl gegebenen Grundfrequenz. Diese Frequenzabhängigkeit dient in der Regelphilosophie der Regeleinrichtung 13 dazu, die momentane Winkellage der Drosselklappe 10 relativ zum Maximum einer Druckampli­tude für eine entsprechende Schalldämpfung aus der auf den OT eines Referenzzylinders bezogenen Winkellage der Kurbelwelle 14 über das Kompensationsnetzwerk 17 zu bestimmten bzw. zu regeln. Für eine zusätzlich lastab­hängige Regelung der Drosselklappe 10 dienen die dem Kompensationsnetzwerk 17 über den Eingang 18 zugeführten Zündimpulse. Damit kann die momentane Winkellage der Drosselklappe 10 relativ zum positiven Druckamplituden-­Maximum zwischen den Positonen A und B gemäß Fig. 2 gewählt werden. Für diese betriebspunktabhängige Rege­lung kann in dem Kompensationsnetzwerk 17 ein geson­dertes Kennfeld vorgesehen sein.

[0017] Diese drehzahl- und last- bzw. betriebspunktabhängige Regelung der Schalldämpfung mittels der Drosselklappe 10 kann ferner zur Abstimmung einer aus Drosselklappe 10 und einer stromauf angeordneten Kammer 8 gebildeten Schalldämpferanlage in der Weise dienen, daß die durch einen Absorptions- und/oder Reflexions-Dämpfer reprä­sentierte Kammer 8 in ihrem Bauvolumen und Bauaufwand reduziert ausgebildet werden kann.

[0018] Aus dem weiter oben angegebenen Zusammenhang der Fre­quenz der Druckamplituden mit der Frequenz der Drehzahl der Kurbelwelle 14 der Vier-Takt-Brennkraftmaschine 1 ergibt sich die erforderliche Drehzahl der rotierend angeordneten Drosselklappe 10 aus der halben Frequenz der entsprechend der Zylinderzahl je Kurbelwellenum­drehung anfallenden, dominanten Abgaspulsationen, wobei mit dem Wert der halben Frequenz das zweimalige Ver­schließen des Strömungsquerschnittes des Abschnittes 4 der Sammelleitung 6 bei einer Umdrehung der rotierenden Drosselklappe 10 berücksichtigt ist. Mit den aus dem festen Verhältnis der weiter oben genannten Frequenzen abgeleiteten Drehzahlen der Drosselklappe 10 kann ein relativ weiter Betriebsbereich der Brennkraftmaschine 1 abgedeckt werden. Zur Erzielung einer zusätzlichen Dämpfung in anderen Betriebsbereichen der Brennkraftma­schine 1 kann das Verhältnis der Drehzahl der Drossel­klappe 10 zur halben Frequenz der mit den Auslaßstößen beim Öffnen der Auslaßventile identischen Abgaspulsa­tionen variabel gewählt werden.

[0019] Weiter kann das erfindungsgemäße Arbeitsverfahren der Schalldämpfung mittels einer frequenzabhängig schwing- und/oder rotationsbeweglich vom Motor 12 angetriebenen Drosselklappe 10 als Zusatzeinrichtung zur Dämpfung besonders für den Auspuff-Schallpegel kritischer Abgas­pulsationen dienen.

[0020] Zur weiteren Reduzierung leistungsmindernder Rückwir­kungen durch an der Drosselklappe 10 reflektierter Druckwellen bzw. Abgaspulsationen dient die stromauf angeordnete Kammer 8 zur Dämpfung der reflektierten Pulsationen.

[0021] Um eine hohe thermische Belastung des Motors 12 zu vermeiden, kann dieser die Drosselklappe 10 über eine (nicht gezeigte) biegsame Welle antreiben.

[0022] Das Kompensationsnetzwerk 17 schließlich kann für analoge oder digitale Signalverarbeitung ausgelegt sein, wobei bei letzterem das OT-Signal von einer der Brenn­kraftmaschine 1 zugeordneten Motronik zugeführt ist.

[0023] Schließlich kann bei einer Brennkraftmaschine mit verstellbarer Nockenwelle an dieser ein weiterer Dreh­winkelgeber angeordnet sein.

Ansprüche

1. Arbeitsverfahren zur Schalldämpfung in gasführenden Anlagen mit dynamischen Druckschwankungen im Strömungsmedium, insbesondere in Abgasanlagen von Brennkraftmaschinen,
- wobei die Anlage in Abhängigkeit mindestens einer Betriebsgröße der Strömungsquelle (Brennkraftma­schine) gedrosselt wird,
dadurch gekennzeichnet,
- daß ein Strömungsquerschnitt der Anlage im wesent­lichen zeitlich synchron mit der Frequenz einer schallpegelbestimmenden Druckschwankung (Druck­amplitude) gedrosselt wird.

2. Arbeitsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß der Strömungsquerschnitt der Anlage lediglich bei positiven Druckamplituden der dyna­mischen Druckschwankungen gedrosselt wird.

3. Arbeitsverfahren nach den Ansprüchen 1 und/oder 2, gekennzeichnet durch eine der Drosselstelle strom­auf in der Anlage zugeordnete Kammer (Absorptions- und/oder Reflexions-Dämpfer, Katalysator).

4. Vorrichtung zur Durchführung des Arbeitsverfahrens in der Abgasanlage einer Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 3,
- mit einer winkelbeweglichen Drosselklappe und einem betriebsgrößenabhängig beeinflußbaren Stellantrieb, dadurch gekennzeichnet,
- daß die Drosselklappe (10) unter Belassung eines umfänglichen Ringspaltes (11) drehwinkelbeweglich in einem Rohrabschnitt (4) der Abgasanlage (2) angeordnet ist, und
- daß ein elektrischer Schrittmotor (12) als Stell­antrieb einer Regeleinrichtung (13) vorgesehen ist,
- die je einen dem Schrittmotor und dem Triebwerk (Kurbelwelle 14) der Brennkraftmaschine (1) zuge­ordneten Drehwinkelheber (15,16) umfaßt,
- die über Signalleitungen mit einem Kompensations­netzwerk (17) der Regeleinrichtung in Verbindung stehen, und
- daß das Kompensationsnetzwerk ferner weitere Eingänge (18,19) für Steuersignale (OT-, Zünd­impuls-Signale) aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­net, daß die schwing- und/oder rotationsbeweglich angetriebene Drosselklappe (10) in ihrer momentanen Winkellage relativ zum Maximum der positiven Druckamplitude einstellbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­net, daß das Kompensationsnetzwerk (17) in Signal­verbindung steht mit einem gesonderten Kennfeld zur Regelung der Drosselklappe (10) in ihrer momentanen Winkellage relativ zu einem Druckamplituden-­Maximum.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­net,
- daß die Drosselklappe in einer dem Strömungsquer­schnitt mindestens entsprechenden Öffnung einer Blende angeordnet ist, und
- die Blende zwischen doppelkonischen Rohrabschnitten der Abgasanlage vorgesehen ist.

8. Arbeitsverfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 3 zur Anwendung bei Brennkraftma­schinen mit einer Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 - 7, dadurch gekennzeich­net, daß bei einer Vier-Takt-Brennkraftmaschine die Drehzahl der Drosselklappe entsprechend der halben Frequenz der entsprechend der Zylinderzahl je Kurbelwellenumdrehung anstehenden, dominanten Abgaspulsationen gewählt wird.

9. Arbeitsverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekenn­zeichnet,
- daß die jeweilige Drehzahl der Drosselklappe in Abhängigkeit der halben Frequenz der dominanten Abgaspulsationen für einen bestimmten Drehzahl-/­Last-Bereich gewählt wird, und
- daß in einem anderen Drehzahl-/Last-Bereich das Verhältnis der Drehzahl der Drosselklappe zur halben Frequenz der Abgaspulsationen variabel gewählt wird.

Zeichnung