DE102005006155A1

DE102005006155A1 - Geräuschunterdrückungssystem und Verfahren hierfür

Info

Publication number: DE102005006155A1
Application number: DE200510006155
Authority: DE
Inventors: Sunny Rajendra Ann Arbor Khosla; Lloyd Ypsilanti Bozzi
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2004-02-12
Filing date: 2005-02-10
Publication date: 2005-08-25
Also published as: US20050189167A1

Abstract

Eine Geräuschunterdrückungseinheit umfasst ein erstes Venturirohr, welches dafür ausgelegt ist, Luft in einen Brennraum zu leiten, sowie ein zweites Venturirohr, welches dafür ausgelegt ist, Luft in einen Brennraum zu leiten. Die Geräuschunterdrückungseinheit umfasst ferner ein Ventil-Subsystem, welches dafür ausgelegt ist, den Luftstrom durch mindestens eines der ersten und zweiten Venturirohre gezielt zu beschränken.

Description

Hintergrund der Erfindung

Brennkraftmaschinen verwenden traditionell eine Drosselklappe, um die Luftzufuhr in den Brennraum eines Zylinders zu regulieren. Verbesserungen der elektronischen Motorsteuerung ermöglichen es den Einlass- und Auslassventilen des Zylinders, den Luftstrom zu steuern, wodurch die Notwendigkeit für eine herkömmliche Drosselklappe entfiel. Derartige Motoren werden gewöhnlich als "Motoren mit elektronischer Ventilsteuerung" und/oder als "drosselklappenfrei" bezeichnet. Drosselklappenfreie Motoren können im Vergleich zu Motoren mit herkömmlichen Drosselklappen Leistung, Benzinersparnis, transientes Verhalten, Verbrennungsstabilität und Emissionswerte verbessern.

Jedoch haben die hier benannten Erfinder einen potentiellen Nachteil der drosselklappenfreien Motore erkannt. Im Einzelnen kann ohne Drosselklappe das Ansauggeräusch signifikant stärker ausfallen. Dies gilt besonders für niedrige Motordrehzahlen, bei denen Motoren mit herkömmlicher Drosselklappe mit weitgehend geschlossener Klappe laufen, die das Ansauggeräusch reflektiert. Drosselklappenfreie Motore haben einen weitgehend unbehinderten Luftkanal zum Brennraum, was das Ansauggeräusch signifikant erhöhen kann. Überdies kann die Betätigung der elektronischen Ventile selbst das Ansauggeräusch verstärken und somit die Ansaggeräuschproblematik verschlimmern.

Zusammenfassung der Erfindung

Es werden ein System und ein Verfahren zur Steuerung von Ansauggeräuschen an die Hand gegeben. In einigen Ausführungen umfasst das Verfahren eine Geräuschunterdrückungseinheit mit einem ersten Venturirohr, das für Luftzufuhr zu einem Brennraum ausgelegt ist, und mit einem zweiten für Luftzufuhr zu dem Brennraum ausgelegten Venturirohr. Die Geräuschunterdrückungseinheit umfasst ferner ein Ventil-Subsystem, das dazu ausgelegt ist, die Luftströmung gezielt durch wenigstens eines der ersten und zweiten Venturirohre zu begrenzen. Auf diese Weise kann die Luftströmung so gesteuert werden, dass der Luftbedarf eines Motors befriedigt und gleichzeitig das Ansauggeräusch begrenzt werden kann. Bei Betrieb mit niedrigem Luftbedarf (wie bei niedrigen Motordrehzahlen oder niedrigem Motordrehmoment) können ein oder mehrere Venturirohre zumindest teilweise abgesperrt werden, wodurch das Ansauggeräusch unterdrückt wird, das sonst durch die Venturirohre nach außen dringen könnte.

In manchen Ausführungen kann eine Geräuschunterdrückungseinheit ein relativ großes Venturirohr sowie ein relativ kleines Venturirohr umfassen. Bei Betrieb mit hohem Luftbedarf des Motors können beide Venturirohre dem Motor Luft zuführen. Bei Betrieb mit niedrigem Luftbedarf kann das große Venturirohr geschlossen werden, wodurch das Ansauggeräusch unterdrückt wird, das sonst durch die Venturirohre nach außen dringen könnte.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine eher schematische Darstellung eines Teils einer Brennkraftmaschine mit einer Geräuschunterdrückungseinheit.
2 ist eine detailliertere Ansicht einer beispielhaften Geräuschunterdrückungseinheit mit einer Doppel-Venturirohr-Auslegung.
3 ist eine detailliertere Ansicht eines beispielhaften Venturirohrs.
4–6 sind Querschnittansichten des Venturirohrs von 3.
7 zeigt eine beispielhafte Geräuschunterdrückungseinheit bei Betrieb mit einem niedrigen Luftbedarf des Motors.
8 zeigt die Geräuschunterdrückungseinheit von 7 bei Betrieb mit einem hohen Luftbedarf des Motors.
9–11 zeigen experimentelle Testergebnisse des Vergleichs von Luftströmung und Ansaugkrümmer-Unterdruck.
12–14 zeigen experimentelle Testergebnisse des Vergleichs von Luftströmung und Gesamtschalldruckpegel.
15 ist ein Fließschema, das ein Verfahren zur Steuerung von Motorengeräusch zeigt.
16 ist eine detaillierte Ansicht eines beispielhaften Venturirohrs.
Detaillierte Beschreibung einer bzw. mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung
1 zeigt eine beispielhafte Brennkraftmaschine 10, welche für den Antrieb eines Fahrzeuges, beispielsweise eines Autos oder Lastkraftwagens, verwendet werden kann. Die Brennkraftmaschine 10 kann eine Vielzahl von Zylindern enthalten, wobei ein beispielhafter Zylinder an Position 12 von 1 dargestellt ist. Der Zylinder 12 weist einen Brennraum 14, der teilweise von Zylinderwänden 16 und einem Hubkolben 18 gebildet wird auf. Der Zylinder 12 weist ferner ein Einlassventil 20, ein Auslassventil 22, eine Einspritzdüse 24 und eine Zündkerze 26 auf. Die Einspritzdüse 24 kann so ausgelegt werden, dass sie den Kraftstoff direkt in den Brennraum 14 einspritzt, oder sie kann in einen Zuluftstutzen zielen. In einigen Ausführungen kann ein Zylinder zwei oder mehrere Einspritzdüsen aufweisen, die dazu ausgelegt werden können, Kraftstoff in verschiedene Bereiche einzuspritzen, und/oder zwei oder mehrere Zündkerzen aufweisen, die dazu verwendet werden können, die vollständige Verbrennung durch Auslösung von zwei Flammenfronten zu erleichtern. Ferner liegt es im Schutzumfang dieser Offenbarung, zwei oder mehr Einlassventile und/oder Auslassventile zu verwenden.
Der Brennraum 14 ist ein Bereich, in dem im Kraftstoff gespeicherte chemische Energie in mechanische Energie umgewandelt werden kann. Zum Beispiel kann ein Motorsteuergerät 30 dazu ausgelegt werden, die Funktion des Einlassventils 20, des Auslaßventils 22, der Einspritzdüse 24 und/oder der Zündkerze 26 zu steuern, um die Verbrennung in dem Brennraum 14 zu fördern. Anders ausgedrückt, können das Einlassventil 20 und das Auslassventil 22 mit der Einspritzdüse 24 so zusammenwirken, dass ein gewünschtes Kraftstoff-/Luft-Verhältnis im Brennraum erzeugt wird. Das Steuergerät erhält von Sensoren verschiedene Eingangssignale, wie eine Messung des Kraftstoff-/Luft-Verhältnisses im Abgas durch Sensor 110 (der z.B. ein UEGO-Sensor oder ein HEGO-Sensor sein kann), eine Messung der Motordrehzahl von Drehzahlsensor 112, eine Messung der Luftmenge vom Luftmengenmesser 114, eine Messung des Krümmerdrucks von Drucksensor 116, und verschiedene weitere, die hier nicht gezeigt werden, wie eine Messung der Pedalposition von einem Fußpedalpositionssensor, eine Messung der Motortemperatur von einem Kühlmitteltemperatursensor, eine Messung der Luftstromtemperatur von einem Lufttemperaturmesser und eine Messung der Abgastemperatur von einem Abgastemperatursensor. Außerdem lassen sich diese Parameter im Steuergerät 30 schätzen, und zwar mit Schätzmodellen und/oder sonstigen Verfahren.
Die Zündkerze 26 lässt sich zur Entzündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches verwenden, wobei eine kontrollierte Explosion gefördert wird, die im Kraftstoff gespeicherte chemische Energie in mechanische Energie umwandelt, und zwar in Form des vor der Explosion zurückweichenden Kolbens 18. Die lineare Energie von Kolben 18 lässt sich an einer Kurbelwelle 32 in Rotationsenergie umwandeln, wobei sich eine derartige Rotationsenergie nutzen lässt, ein oder mehrere Räder eines Fahrzeuges anzutreiben.
Wie in 1 dargestellt, steht der Brennraum 14 über einen Ansaugkrümmer 42 in Fluidverbindung mit einer Luftzufuhr 40. Das Einlassventil 20 lässt gemäß vom Motorsteuergerät 30 erhaltenen Befehlen aus dem Ansaugkrümmer 42 gezielt Luft in den Brennraum 14 fließen. Der Ansaugkrümmer 42 bildet einen Schallweg, über den sich das mit dem Betrieb des Motors 10 verbundene Geräusch ausbreiten kann. Eine Minderung dieser Art von Geräuschausbreitung ist wünschenswert.
Motore mit herkömmlicher Drosselklappe regulieren über die Klappe den Luftstrom durch den Ansaugkrümmer in den Brennraum. Bei solchen Motoren reflektiert eine teilweise geschlossene Drosselklappe den Großteil der Schallenergie zurück zum Motor, während sie einen adäquaten Luftstrom zu den Zylindern gestattet. Ohne die Drosselklappe gibt es so gut wie keinen Widerstand gegenüber einer Ausbreitung der Schallenergie. Daher können Motore ohne Drosselklappen wesentlich höhere Ansauggeräuschwerte aufweisen als Motore mit herkömmlicher Drosselklappe, besonders bei Betrieb mit niedrigen Drehzahlen.
Die hier genannten Erfinder haben ein System zur Reduzierung des Ansauggeräusches entwickelt, das sich, zum Beispiel, in Motoren ohne Drosselklappe einsetzen lässt. Wie in 1 schematisch dargestellt, lässt sich eine Geräuschunterdrückungseinheit 50 in Fluidverbindung mit dem Ansaugkrümmer 42 bringen, so dass die durch den Ansaugkrümmer strömende Luft auch durch die Geräuschunterdrückungseinheit strömt. Eine Geräuschunterdrückungseinheit lässt sie wie in 1 dargestellt am vorderen Ende des Ansaugkrümmers anordnen. In anderen Ausführungen kann die Geräuschunterdrückungseinheit für eine Anordnung in einer Linie in einem Zwischenabschnitt des Ansaugkrümmers ausgelegt werden; oder die Geräuschunterdrückungseinheit kann für eine Anordnung am hinteren Ende des Ansaugkrümmers, nahe des Brennraums, ausgelegt werden.
2 ist die schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Geräuschunterdrückungseinheit 50 mit einem ersten Venturirohr 60 und einem zweiten Venturirohr 62, die parallel an einen Spülkasten 64 angeschlossen sind. Der Spülkasten 64 ist an den Ansaugkrümmer 42 angeschlossen, welcher einen Luftschlauch oder ähnlichen Luftkanal aufweisen kann, der an einen oder mehrere Zylinder, wie Zylinder 12, angeschlossen werden kann. In einigen Ausführungen kann der Spülkasten 64 einen Luftfilter enthalten und in anderen Ausführungen kann der Spülkasten weggelassen werden. Die Luft kann durch das Venturirohr 60 und/oder Venturirohr 62 zu den Zylindern fließen, wo sie zur Durchführung der Verbrennung genutzt werden kann. Wie nachstehend im einzelnen beschrieben, können das Venturirohr 60 und das Venturirohr 62 das Ansauggeräusch wesentlich reduzieren und gleichzeitig einen adäquaten Luftstrom für den Motorbetrieb über eine Spanne von Motorbetriebsbedingungen aufrechterhalten.
3 zeigt das erste Venturirohr 60 getrennt von der restlichen Geräuschunterdrückungseinheit. Das erste Venturirohr 60 ist ein Luftkanal, der aus einem stromaufwärts gelegenen Teil 70, einem Verengungsteil 72 und einem stromabwärts gelegenen Teil 74 besteht. Der stromaufwärts gelegene Teil 70 weist eine Mündung 76 am vorderen Ende des Venturirohrs auf. Gemäß der Bernouilli-Gleichung wird beim Strömen von Fluid (Luft) durch das Venturirohr 60 Energie erhalten. Im Einzelnen bleibt die Summe der kinetischen Energie, der Druckenergie und der potentiellen Energie über das Venturirohr konstant. Wenn die potentielle Energie konstant bleibt, führt eine Zunahme der Fluidgeschwindigkeit zu einer Abnahme des Druckes und umgekehrt. Die verringerte Querschnittfläche des Verengungsteils 72 bewirkt eine Zunahme der Strömungsgeschwindigkeit der den Verengungsteil passierenden Luft gegenüber der den stromaufwärts gelegenen Teil oder den stromabwärts gelegenen Teil passierenden Luft. Daher hat die durch den Verengungsteil 72 strömende Luft im Vergleich zu der den stromaufwärts gelegenen Teil 70 oder den stromabwärts gelegenen Teil 74 passierenden Luft einen geringeren Innendruck. Indem man den stromaufwärts gelegenen Teil im wesentlichen genauso groß dimensioniert wie den stromabwärts gelegenen Teil, kann man jedoch die Fluidströmgeschwindigkeit und den Innendruck am stromaufwärts gelegenen Teil 70 denen des stromabwärts gelegenen Teils 74 weitgehend angleichen.
Es sei darauf hingewiesen, dass das Venturirohr 60 als nicht einschränkendes Ausführungsbeispiel gezeigt wird und andere Venturirohr-Auslegungen in den Schutzumfang dieser Offenbarung fallen. Zum Beispiel können der stromaufwärts gelegene Teil 70 verkürzt und/oder der stromabwärts gelegene Teil 74 verlängert werden, so dass der stromabwärts gelegene Teil einen größeren Prozentanteil des Venturirohrs bildet. Umgekehrt kann der stromabwärts gelegene Teil 74 verkürzt und/oder der stromaufwärts gelegene Teil 70 verlängert werden, so dass der stromabwärts gelegene Teil einen größeren Prozentanteil des Venturirohrs bildet. In einigen Ausführungen kann der stromaufwärts gelegene Teil 70 effektiv zu einem Rand entlang der Mündung des Venturirohrs reduziert und der Verengungsteil des Venturirohrs im wesentlichen an die Venturimündung verlegt werden.
4 ist eine Querschnittansicht des stromaufwärts gelegenen Teils 70, 5 ist eine Querschnittansicht des Verengungsteils 72 und 6 ist eine Querschnittansicht des stromabwärts gelegenen Teils 74. Wie in 4–6 dargestellt, hat der stromaufwärts gelegene Teil 70 einen Radius R_u, der Verengungsteil 72 einen Radius R_t und der stromabwärts gelegene Teil 74 einen Radius R_d. In der dargestellten Ausführung hat das Venturirohr 60 eine kreisförmige Querschnittsgeometrie; es liegt jedoch im Schutzumfang dieser Offenbarung, ein Venturirohr mit einer nichtkreisförmigen Querschnittsgeometrie auszulegen. Eine Kreisfläche beträgt πr², wobei r der Radius des Kreises ist. Daher ist die Querschnittfläche des Verengungsteils 72 A_t=πR_t ². In ähnlicher Weise ist die Querschnittfläche des stromaufwärts gelegenen Teils 70 A_u=πR_u2 und die Querschnittfläche des stromabwärts gelegenen Teils 74 A_d=πR_d ².
Wie in 3–6 dargestellt, ist A_t kleiner als A_d und kleiner als A_d. Wenn auch nicht notwendig, ist in der abgebildeten Ausführung A_u gleich A_d. Die relativ kleine Querschnittfläche des Verengungsteils 72 kann zumindest teilweise die Ausbreitung der Schallenergie durch das Venturirohr reflektieren, absorbieren, blockieren und/oder anderweitig unterdrücken. Es ist festgestellt worden, dass die unterdrückte Schallenergiemenge mit der Größe des Verengungsteils zusammenhängt, wobei kleinere Verengungsteile mehr Schallenergie unterdrücken als größere Verengungsteile. Kleinere Verengungsteile können auch zu größeren Krümmerunterdruckwerten beitragen. Somit kann die Verengungsteilgröße so gewählt werden, dass eine gewünschte Ausgewogen zwischen der Schallunterdrückung, die sich als Gesamtschalldruckpegel (OSPL) messen lässt, und einem gewünschten Ansaugkrümmerunterdruck (MAV) erreicht wird. Anders ausgedrückt: ein Reduktionsverhältnis A_u/A_t (und/oder A_d/A_t) kann so gewählt werden, dass eine gewünschte Reduzierung des Ansauggeräusches erreicht wird, während ein ausreichender Luftstrom und/oder Motorwirkungsgrad aufrecht erhalten bleibt. Es liegt im Schutzumfang dieser Offenbarung, ein Venturirohr mit nahezu jedem Reduktionsverhältnis (A_u/A_t und/oder A_d/A_t) zu verwenden, einschließlich, aber nicht ausschließlich ein Reduktionsverhältnis von 2 (50% Verengungsquerschnitt), 4 (25% Verengungsquerschnitt) 6 2/3 (15% Verengungsfläche) und 10 (10% Verengungsfläche). 3–6 zeigen ein Venturirohr mit einem Reduktionsverhältnis von 4, das heißt die Querschnittfläche des Verengungsteils 72 beträgt 25% der Querschnittsfläche des stromaufwärts gelegenen Teils 70 (und des stromabwärts gelegenen Teils 74) und R_t beträgt die Hälfte von R_u (und R_d).
Das Venturirohr 62 kann mit denselben allgemeinen Eigenschaften wie das Venturirohr 60 ausgelegt werden, nämlich als ein relativ enger Verengungsteil zwischen den relativ weiteren stromaufwärts und stromabwärts gelegenen Teilen. Das Reduktionsverhältnis des Venturirohrs 62 kann dasselbe sein wie das Reduktionsverhältnis des Venturirohrs 60, oder das Venturirohr 60 und das Venturirohr 62 können mit unterschiedlichem Reduktionsverhältnis ausgelegt werden. Ferner können Venturirohr 60 und Venturirohr 62 ähnlich dimensioniert werden, oder Venturirohr 60 und Venturirohr 62 können, wie in 2 gezeigt, verschieden dimensioniert werden. Mit verschieden dimensioniert ist gemeint, dass ein Venturirohr im Vergleich zum anderen Venturirohr ein größeres Volumen, eine größere Luftdurchsatzkapazität, einen größeren Verengungsradius (R_t), eine größere Querschnittfläche an dem Verengungsteil (A_t), einen größeren Radius (R_d) des stromabwärts gelegenen Teils und/oder eine größere Querschnittfläche im stromabwärts gelegenen Teil (A_d) hat. In der dargestellten Ausführung ist das Venturirohr 60 größer als das Venturirohr 62. Insbesondere hat das Venturirohr 60 einen größeren Radius R_u, R_t und R_d. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass ein Venturirohr mit ähnlichen R_u- und R_d-Maßen, jedoch einem kleineren R_t-Maß, verwendet werden könnte. Im Vergleich zu Venturirohr 62 kann das Venturirohr 60 relativ mehr Luft in einem vorgegebenen Zeitraum durchlassen. Aufgrund seiner relativ geringen Größe kann das Venturirohr 62 jedoch mehr Schallenergie unterdrücken als das Venturirohr 60.
Ein Motor kann unter einer Vielzahl von Motorbetriebsbedingungen betrieben werden, die durch Motordrehzahl (U/min), Last, Drehmoment usw. gekennzeichnet sind. Erhöhte Leistungsanforderungen an einen Motor gehen generell mit einem erhöhten Luftbedarf einher. Wie in 2 schematisch dargestellt, kann die Geräuschunterdrückungseinheit 50 ein Ventil-Subsystem 80 für gezieltes Öffnen und Schließen von Venturirohr 60 und/oder Venturirohr 62 enthalten, um jeweils Luft durchströmen zu lassen und dadurch die Luftanforderungen des Motors zu erfüllen. In einigen Ausführungen kann das Ventil-Subsystem mehrere Ventile enthalten, die individuell dazu ausgelegt sind, ein einzelnes Venturirohr gezielt zu öffnen und zu schließen, während andere Ausführungen ein oder mehrere Ventile haben, die dazu ausgelegt sind, zwei oder mehr Venturirohre gemeinsam zu steuern. In einigen Ausführungen kann das Ventil-Subsystem ein oder mehr Ventile enthalten, die dazu ausgelegt sind, den Luftstrom zu drosseln, ohne das Venturirohr vollständig zu schließen. In einigen weiteren Ausführungen kann das Ventil-Subsystem ein einzelnes Ventil enthalten, das dazu ausgelegt ist, den Luftstrom gezielt nur durch ein einzelnes Venturirohr zu drosseln. Wie in 7 und 8 dargestellt, kann zum Beispiel das Ventil-Subsystem ein Ventil 82 enthalten, das dazu ausgelegt ist, gemäß Befehlen vom Motorsteuergerät 30 den Luftstrom gezielt über das Venturirohr 60 zu drosseln. Ein Schließen des Venturirohrs 60 unterdrückt die Ausbreitung von Schallenergie über Venturirohr 60. Ventil 82 kann als Absperrschieber, Plattenschieber, Drosselschieber oder sonstiges geeignetes Ventil für die gezielte Drosselung des Luftstroms ausgelegt werden.
7 und 8 illustrieren jeweils den erfindungsgemäßen Betrieb des Ventilsubsystems 80 bei Motorbetrieb mit niedrigem Luftbedarf und bei Motorbetrieb mit hohem Luftbedarf. Bei Motorbetrieb mit niedrigem Luftbedarf kann das Ventilsystem 80 das Venturirohr 60 schließen und somit den Netto-Luftstrom verringern und die Ansauggeräuschunterdrückung erhöhen. Umgekehrt kann bei Motorbetrieb mit hohem Luftbedarf das Ventilsubsystem 80 das Venturirohr 60 öffnen und somit den Netto-Luftstrom zum Motor erhöhen. Das Motorgerät kann so ausgelegt werden, dass es die Konfiguration des Ventilsubsytems 80 vor, nach oder zu dem gleichen Zeitpunkt ändert, zu dem der Motor von niedrigem Luftbedarf zu hohem Luftbedarf übergeht. Es sei darauf hingewiesen, dass die obige Beschreibung für eine Geräuschunterdrückungseinheit mit zwei Betriebsarten gilt, die zwei Luftbedarfs-Betriebszuständen entsprechen. Es liegt im Schutzumfang dieser Offenbarung, eine Geräuschunterdrückungseinheit zu verwenden, die für drei oder mehrere Luftbedarfs-Betriebszustände ausgelegt ist. Derartige Geräuschunterdrückungseinheiten können drei oder mehr Venturirohre und/oder ein Ventilsubsystem enthalten, das dazu ausgelegt ist, ein oder mehrere der enthaltenen Venturis stufenweise zu schließen, so dass ein Venturirohr einen begrenzten Prozentsatz seines maximalen Durchsatzes bewältigen kann.
Ein Luftbedarfs-Betriebszustand kann anhand von Drehzahl, Last, Drehmoment, Sauerstoffkonzentration und/oder sonstigen Parametern bestimmt werden, die mit der für die Verbrennung genutzten Luftmenge in Zusammenhang stehen. Zum Beispiel kann ein Luftbedarfs-Betriebszustand mit der Drehzahl des Motors korrespondieren und von dem Motorsteuergerät 30 überwacht werden. Als ein nicht einschränkendes Ausführungsbeispiel kann das Motorsteuergerät so ausgelegt werden, dass es Drehzahlen unter 1500 U/min als einen Motorbetrieb mit niedrigem Luftbedarf und Drehzahlen gleich oder größer als 1500 U/min als Motorbetrieb mit hohem Luftbedarf behandelt. Alternativ kann der Luftbedarf durch Messen des Luftstroms durch den Motor bestimmt werden, wie z.B. durch den Luftmengenmesser 114 und/oder Ansaugkrümmer-Drucksensor 116.
Wie in 7 dargestellt, kann bei Betrieb mit niedrigem Luftbedarf das Ventil 82 das Venturirohr 60 effektiv schließen und somit den Luftstrom zum Venturirohr 62 begrenzen. Ein Schließen des Venturirohrs 60 kann das Ansauggeräusch vorteilhaft unterdrücken und gleichzeitig einen ausreichenden Luftstrom durch das Venturirohr 62 aufrechterhalten. Wie in 8 dargestellt, kann bei Betrieb mit hohem Luftbedarf das Ventil 82 geöffnet werden, so dass Luft durch Venturirohr 60 wie auch Venturirohr 62 fließen kann, wodurch der Netto-Luftstrom erhöht wird. Auch wenn das Ansauggeräusch größer ausfallen kann als bei der mit Bezug auf 7 beschriebenen Auslegung und den dort beschriebenen Betriebsbedingungen, trägt die Form des Venturirohrs 60 und des Venturirohrs 62 dazu bei, das Ansauggeräusch zu unterdrücken und gleichzeitig einen ausreichenden Luftzustrom aufrechtzuerhalten. Insbesondere kann ein Venturirohr mit einem Verengungsradius R_t, einem Radius R_u des stromaufwärts gelegenen Teils und einem Radius R_d des stromabwärts gelegenen Teils einen größeren Luftstrom befördern als ein Luftkanal mit einem konstanten Querschnittsradius gleich R_t und kann gleichzeitig mehr Ansauggeräusch unterdrücken als ein Luftkanal mit einem konstanten Querschnittsradius gleich R_u oder R_d.
Der Druckabfall im Verengungsteil eines Venturirohrs, wie Venturirohr 60 und/oder Venturirohr 62, kann als Einleitungspunkt für angesammelte Verdunstungsemissionen dienen. Ein herkömmlicher Motor ohne Drosselklappe kann einen mehr oder weniger atmosphärischen Luftdruck im Ansaugkrümmer aufweisen, was den Luftstrom zwischen einem Filter und dem Krümmer behindert, weil kein Druckabfall vorhanden ist. Es kann jedoch ein Venturirohr als Unterdruckquelle verwendet werden, um den Luftstrom vom Filter zum Ansaugkrümmer anzutreiben. Außerdem erhöht sich, anders als bei herkömmlichen Motoren, mit zunehmender Motorendrehzahl und Last der Druckabfall im Venturirohr. Dies ermöglicht im gesamten Betriebszustandsbereich des Motors einen Spülstrom. Das Venturirohr kann ferner dazu verwendet werden, eine Unterdrucksquelle für Bremsverstärkung und/oder Abgasrückführung zu liefern.
Geräuschunterdrückung ist unter Verwendung von unterschiedlich dimensionierten Venturirohren getestet worden. Im Einzelnen wurden drei Venturirohre so ausgelegt, dass die nutzbare Öffnungsfläche an der Verengung 50%, 25% bzw. 15% der ursprünglichen Fläche an der Mündung des stromaufwärts gelegenen Teils des Venturirohrs entsprach. Jeder dieser Fälle stellt eine Ventilschließsituation dar, die dem Motorbetrieb mit niedrigem Luftbedarf entspricht. Als Testfälle wurden Motordrehzahlen von 650, 2.500 und 5.500 U/min verwendet. 9–11 zeigen die sich für die unterschiedlichen Motordrehzahl- und Venturigrößen-Kombinationen ergebenden Werte von Krümmerunterdruck zu Durchflussmenge. Wie zu erkennen ist, kann der Ansaugkrümmerunterdruck mit steigender Durchflussmenge zunehmen. Strömungsverluste sind mit dem Ansaugsystem verbunden, einschließlich des Verlustes über die verschiedenen Venturirohre hinweg. Höhere Durchflussmengen führen im Allgemeinen zu höheren Strömungsverlusten. Man beachte die minimale Unterdruckerzeugung (< 1 kPa) im Fall von 650 U/min bei den niedrigen Lasten, sogar beim kleinsten Venturirohr.
12–14 zeigen experimentell ermittelte Ansauggeräuschwerte (gemessen als Gesamtschalldruckpegel). Im Fall von 650 U/min ergibt sich eine erhebliche OSPL-Reduzierung (~20 dB) für ein Venturirohr mit einem Verengungsfläche von 15% der Fläche des stromaufwärts gelegenen Teils. Wie bereits erwähnt, wird dies mit einer minimalen Unterdruckerzeugung (siehe 9) von weniger als 1 kPa bei nahezu Leerlauflast erreicht. Bei höheren Motordrehzahlen sind die kleineren Einlassventurirohre, besonders die mit 25% und 15% Querschnittfläche verhältnismäßig effektiv bei der Reduzierung des Ansauggeräusches. Dies kann jedoch auf Kosten eines höheren Kraftstoffverbrauchs gehen, da die resultierenden Ansaugkrümmer-Unterdruckwerte relativ groß sind.
Im Folgenden wird ein Verfahren zur Steuerung des Geräusches von Motoren ohne Drosselklappe beschrieben. Bei diesem Verfahren wird zunächst ein erstes Venturirohr zwischen einem Brennraum und einer Luftzufuhr angeschlossen, wobei das erste Venturirohr einen ersten Verengungsteil mit einer kleineren Querschnittfläche aufweist als benachbarte stromaufwärts und stromabwärts gelegene Teile des ersten Venturirohrs. Wie oben mit Verweis auf 3–6 beschrieben, kann ein derartiges Venturirohr unterschiedlich dimensioniert sein, um eine erwünschte Ausgewogenheit von Geräuschunterdrückung, Luftströmung und Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu erreichen. Bei diesem Verfahren wird ferner ein zweites Venturirohr zwischen dem Brennraum und der Luftzufuhr parallel zum ersten Venturirohr angeschlossen, wobei das zweite Venturirohr einen zweiten Verengungsteil mit einer kleineren Querschnittfläche aufweist als die benachbarten stromaufwärts und stromabwärts gelegenen Teile des zweiten Venturirohrs. Wenn auch nicht notwendig, kann das zweite Venturirohr kleiner dimensioniert werden als das erste Venturirohr. Das Verfahren beinhaltet ferner das gezielte Absperren des Luftstromes in mindestens einem des ersten und zweiten Venturirohrs. Zum Beispiel kann ein Drosselschieber dazu verwendet werden, den Luftstrom bei Motorbetrieb mit niedrigem Luftbedarf durch ein relativ großes erstes Venturirohr abzusperren.
Unter Verweis auf 15 folgt nun die Beschreibung einer Routine für die Steuerung des Drosselschiebers im Venturisystem. Zunächst werden in Schritt 1510 Motorbetriebsbedingungen ermittelt, wie Motordrehzahl, Last, Luftstrom und/oder Temperatur. Dann wird in Schritt 1512 bestimmt, ob der Drosselschieber aufgrund der ermittelten Motorbetriebsbedingungen betätigt werden sollte (z.B. betätigt werden sollte, um zu schließen oder teilweise zu schließen). Zum Beispiel wird das Ventil in einer Ausführung betätigt, wenn der Motorluftstrom unterhalb eines vorbestimmten Schwellenwertes liegt. In einem anderen Beispiel wird das Ventil betätigt, wenn die Motordrehzahl und -last innerhalb einer vorgegebenen Gruppe von Grenzwerten liegt. In einem noch weiteren Beispiel wird das Ventil aufgrund der Motortemperatur betätigt oder bei Motorstart-/stopp-Bedingungen.
Wenn die Antwort auf Schritt 1512 Ja lautet, geht die Routine zu Schritt 1514 weiter, in dem anhand der ermittelten Betriebsbedingungen eine gewünschte Drosselschieberstellung ermittelt wird. Zum Bespiel kann das Ventil einfach in eine vollständig geschlossene/offene Stellung gebracht werden, oder in einigen Beispielen auf eine Zwischenstellung bei ausgewählten Bedingungen. In Schritt 1516 adaptiert die Routine dann das Befehlssignal, das an das Ventil geschickt wird, um es in die gewünschte Stellung zu bringen.
Auf diese Weise lässt sich eine verbesserte Geräuschunterdrückung erreichen. Unter Bezug auf 16 wird nun ein alternatives Ausführungsbeispiel beschrieben, in dem das kleinere Venturirohr als Unterdruckquelle und/oder Einleitstelle für Kraftstoffdämpfe und/oder Abgasrückführung (AGR) verwendet wird. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann jedoch auch das größere Venturirohr für solche Zwecke eingesetzt werden, oder es können beide verwendet werden. Genauer ausgedrückt erzeugt das Venturirohr eine örtlich begrenzte Zone größeren Unterdruckes verglichen mit dem restlichen Teil des Ansaugsystems. Da sich Unterdruck vorteilhaft für den Antrieb von Stellgliedern nutzen lässt (wie unterdruckbetätigte Ventile und/oder eine mit dem Bremssystem des Fahrzeuges gekoppelte Bremsverstärkung) und auch als Abzug für Kraftstoffdämpfe aus einem Kraftstoffdampf-Rückhaltesystems, oder als Abzug für Abgas-Rückführungssysteme. Wie in 16 dargestellt kann eine Leitung 1610 an oder nahe der Verengung des Venturirohrs hinzugefügt werden, um den Unterdruck als Quelle anzuzapfen und/oder Kraftstoffdämpfe oder AGR einzuleiten. In einer noch weiteren Ausführung kann die Leitung an der Verengung des größeren Venturirohrs angeschlossen werden oder jedes Venturirohr erhält eine Leitung. In solch einem Fall kann das eine als Unterdruckquelle und das andere für Kraftstoffdämpfe und/oder AGR verwendet werden. In einer noch weiteren Ausführung kann die Leitung etwas vor oder nach der Verengung angeordnet werden, um das Unterdruckspotential ggf. anzupassen.
Da zudem das Venturirohr Motorschwingungen und -geräusch dämpfen kann, kann es möglicherweise auch Motorpulsationen reduzieren, die Messungen des Luftmengenmessers verfälschen können. Daher kann die Anordnung eines Luftmengenmessers (wie Sensor 114) nahe der Verengung eines oder beider Venturirohre nützliche Messungen der Strömung liefern, welche die Motordruckpulsationen reduzieren soll. Robustheit und Haltbarkeit des Sensor erfordern jedoch typischennreise saubere Luft, und daher muss der Luftmengenmesser nach einem Luftfiltermedium angeordnet werden. Somit könnte bei Einsatz im Venturirohr eine Luftfiltrierung stromaufwärts vom Venturirohr hinzugefügt werden.
Auch wenn Obiges im Kontext einer Viertakt-Brennkraftmaschine beschrieben wurde, sei darauf hingewiesen, dass es im Schutzumfang dieser Offenbarung liegt, ein Mehrfachventurisystem zu verwenden, um die Geräuschwahrnehmung in nahezu jeder Anwendung zu reduzieren, bei der eine steuerbare Luftzufuhr gewünscht wird. Auch wenn die vorliegende Offenbarung mit Verweis auf die vorstehenden Arbeitsweisen und Ausführungsbeispiele erstellt wurde, wird für den Fachmann ersichtlich sein, dass verschiedene Abänderungen der Form und Einzelheiten vorgenommen werden können, ohne von dem in den beigefügten Patentansprüchen festgelegten Erfindungsgedanken und Umfang abzuweichen. Zum Beispiel können beliebige der obigen Merkmale auch bei Motoren mit Drosselklappen verwendet werden, die eine elektronisch gesteuerte oder ggf. auch mechanisch betätigte Drosselklappe haben. Die vorliegende Offenbarung soll alle derartigen Alternativen, Abwandlungen und Varianten umfassen. Wo die Offenbarung oder Ansprüche "ein", "ein erstes" oder "ein weiteres" Element oder entsprechendes erwähnen, sind diese so auszulegen, dass sie ein oder mehrere derartige Elemente umfassen, wobei zwei oder mehrere derartiger Elemente weder gefordert noch ausgeschlossen werden.

Claims

Geräuschunterdrückungseinheit, mit: einem ersten Venturirohr, welches dazu ausgelegt ist, einen Brennraum mit Luft zu versorgen; einem zweiten Venturirohr, welches dazu ausgelegt ist, einen Brennraum mit Luft zu versorgen; und einem Ventil-Subsystem, welches dazu ausgelegt ist, die Luftströmung durch mindestens eines der ersten und der zweiten Venturirohre gezielt zu beschränken.
Geräuschunterdrückungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Venturirohr für größeren Höchstdurchsatz als das zweite Venturirohr dimensioniert ist.
Geräuschunterdrückungseinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil-Subsystem ein für das gezielte Schließen des ersten Venturirohrs ausgelegtes Ventil aufweist.
Geräuschunterdrückungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil-Subsystem für das Schließen des ersten Venturirohrs bei Motorbetrieb mit niedrigem Luftbedarf ausgelegt ist.
Geräuschunterdrückungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil-Subsystem für das Öffnen des ersten Venturirohrs bei Motorbetrieb mit hohem Luftbedarf ausgelegt ist.
Geräuschunterdrückungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Venturirohr in einer parallelen Luftströmungsanordnung zum zweiten Venturirohr angeordnet ist.
Geräuschunterdrückungseinheit nach Anspruch 1, welche weiterhin einen Spülkasten zwischen dem Brennraum und dem ersten und zweiten Venturirohr umfasst.
Geräuschunterdrückungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Venturirohr mit einer Mündung und einer Verengung versehen ist und eine Querschnittfläche der Verengung höchstens halb so groß wie die Querschnittfläche der Mündung ist.
Geräuschunterdrückungseinheit nach Anspruch 1, welche weiterhin einen stromaufwärts des ersten Venturirohrs angeordneten Filter umfasst.
Geräuschunterdrückungseinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter stromaufwärts des zweiten Venturirohrs angeordnet ist.
Geräuschunterdrückungseinheit nach Anspruch 1, welche weiterhin einen Luftmengenmesser umfasst.
Geräuschunterdrückungseinheit, mit: einem ersten Luftkanal, welcher zur Anordnung zwischen einem Brennraum und einer Luftzufuhr ausgelegt ist, wobei der erste Luftkanal einen ersten stromaufwärts gelegenen Teil, einen ersten stromabwärts gelegenen Teil und einen ersten Verengungsteil zwischen dem ersten stromaufwärts gelegenen Teil und dem ersten stromabwärts gelegenen Teil enthält; wobei eine Querschnittfläche des ersten Verengungsteils kleiner als eine Querschnittfläche des ersten stromaufwärts gelegenen Teils und kleiner als eine Querschnittfläche des ersten stromabwärts gelegenen Teils ist; einem zweiten Luftkanal, welcher zur Anordnung zwischen einem Brennraum und einer Luftzufuhr parallel zum ersten Luftkanal ausgelegt ist, wobei der zweite Luftkanal einen zweiten stromaufwärts gelegenen Teil, einen zweiten stromabwärts gelegenen Teil und einen zweiten Verengungsteil zwischen dem zweiten stromaufwärts gelegenen Teil und dem zweiten stromabwärts gelegenen Teil aufweist; wobei eine Querschnittfläche des zweiten Verengungsteils kleiner als eine Querschnittfläche des zweiten stromaufwärts gelegenen Teils und kleiner als eine Querschnittfläche des zweiten stromabwärts gelegenen Teils ist; und einem Ventil, welches für das gezielte Drosseln des Luftstroms von der Luftzufuhr durch den ersten Luftkanal zu dem Brennraum ausgelegt ist.
Geräuschunterdrückungseinheit nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verengungsteil eine größere Querschnittfläche aufweist als der zweite Verengungsteil.
Geräuschunterdrückungseinheit nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mindest-Querschnittfläche des zweiten Verengungsteils maximal 50% einer Mindest-Querschnittfläche des ersten Verengungsteils beträgt.
Geräuschunterdrückungseinheit nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mindest-Querschnittfläche des zweiten Verengungsteils maximal 25% einer Mindest-Querschnittfläche des ersten Verengungsteils beträgt.
Geräuschunterdrückungseinheit nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mindest-Querschnittfläche des zweiten Verengungsteils maximal 15% einer Mindest-Querschnittfläche des ersten Verengungsteils beträgt.
Geräuschunterdrückungseinheit nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Luftkanal einen größeren Höchstdurchsatz hat als der zweite Luftkanal.
Geräuschunterdrückungseinheit nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil für das Sperren eines Luftstroms durch den ersten Luftkanal bei Motorbetrieb mit niedrigem Luftbedarf ausgelegt ist.
Verfahren zur Motorsteuerung, bei dem der Motor umfasst: ein erstes Venturirohr zwischen einem Brennraum und einer Luftzufuhr, wobei das erste Venturirohr einen ersten Verengungsteil mit einer kleineren Querschnittfläche als die benachbarten stromaufwärts und stromabwärts gelegenen Teile des ersten Venturirohres aufweist, und parallel zum ersten Venturirohr ein zweites Venturirohr zwischen dem Brennraum und der Luftzufuhr, wobei das zweite Venturirohr einen zweiten Verengungsteil mit einer kleineren Querschnittfläche als die benachbarten stromaufwärts und stromabwärts gelegenen Teile des zweiten Venturirohres aufweist, wobei der Motor weiterhin ein mindestens mit einem von ersten und zweiten Venturirohr gekoppeltes Ventil umfasst; wobei Verfahren umfasst: Verstellen des Ventils, um die Strömungsmenge durch das Ventil bei Änderungen der Motorbetriebsbedingungen anzupassen.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstellen den Luftstrom je nach Motorluftbedarf gezielt absperrt.
Verfahren nach Anspruch 20; dadurch gekennzeichnet, dass das gezielte Absperren das Absperren des ersten Venturirohrs bei Motorbetrieb mit niedrigem Luftbedarf umfasst.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Venturirohr einen größeren Luft-Höchstdurchsatz als das zweite Venturirohr aufweist.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Querschnittfläche des ersten Verengungsteils kleiner ist als eine Querschnittfläche des zweiten Verengungsteils.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstellen das das Schließen des ersten Venturirohrs bei Motorbetrieb mit niedrigem Luftbedarf umfasst.