AT414307B

AT414307B - Vorrichtung zur geräuschreduktion

Info

Publication number: AT414307B
Application number: AT0099704A
Authority: AT
Original assignee: Reineke Horst
Priority date: 2004-06-08
Filing date: 2004-06-08
Publication date: 2006-12-15
Also published as: ATA9972004A

Description

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AT 414 307 B

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Geräuschreduktion in Auspuffanlagen, welche einen in einem Abschnitt eines Auspuffrohres befindlichen schalldämpfenden Einsatz aufweisen.

In der Automobilindustrie ist allgemein ein starker Trend zur Reduktion von Lärm sowohl für die 5 Fahrzeuginsassen als auch für die Umwelt erkennbar. Zu diesem Zweck werden neben klassischen Dämmmaßnahmen vermehrt Piezoelemente eingesetzt.

In der DE 10 110 822 A1 und der DE 19 826 175 wird der Einbau von Piezoelementen als Zwischenstücke zwischen zwei Bauteile zur aktiven Geräuschreduktion offenbart, wie zum io Beispiel zwischen Motorblock und Zylinderkopf oder zwischen Motorblock und Karosserie.

Der Einsatz von Piezoelementen zur Geräuschreduktion in Auspufftöpfen wird in der US 6 386 317 B1 beschrieben. Hierzu ist das Auspuffrohr mit geräuschabsorbierenden Segmenten versehen, wobei ein Piezofilm in karbonfaserhältiges Material eingebettet ist. Das Pie-15 zoelement wird durch die Schallschwingung angeregt und gibt aufgrund des piezoelektrischen Effektes elektrische Ladung an das leitende Ümgebungsmaterial ab. Die Geräuschreduktion erfolgt aufgrund der Umwandlung der kinetischen Energie der Schallwellen in elektrische, der wesentliche Anteil an der Geräuschreduktion erfolgt über die Schalldämmung durch das kar-bonfaserhältige Material. 20

Die WO 2000/05489 A1 betrifft eine Vorrichtung zur Reduzierung der Schallemission von Verbrennungsmotoren in einer Abgasleitung mit einem ersten Schallwandler zur Umwandlung in erste Signale, einer Steuereinheit zur Umwandlung der ersten Signale in zweite Signale sowie einem zweiten Schallgeber zur Umwandlung der zweiten Signale in Kompensations-25 Schallwellen.

Die DE 102 01 494 A1 offenbart einen Resonator zur Schalldämpfung in einem schallführenden Rohrkanal mit einem aktiv steuerbaren Schallgeber, der zur Überlagerung des Rohrkanalschalls in einem Resonatorraum angeordnet ist. 30

Nachteilig an den oben genannten Vorrichtungen ist einerseits die kostenintensive Konstruktion des Auspuffrohres, andererseits kann aufgrund der Temperaturempfindlichkeit des Piezoele-mentes die Vorrichtung lediglich am Ende des Auspuffs eingebaut werden. 35 Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zu schaffen, -die es erlaubt, auf einfachem und kostengünstigem Weg eine Lärmreduktion von Auspuffanlagen zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, dass 40 ein schallquellenseitig befindlicher Abschnitt des Einsatzes mit zumindest einem'Sensor verbunden ist, weiters der zumindest eine Sensor mit zumindest einem Aktor verbunden ist, wobei der zumindest eine Sensor und der zumindest eine Aktor in Form von zumindest einem Piezo-element ausgebildet sind, der zumindest eine Aktor mit einem auspuffseitigen Abschnitt des Einsatzes in Verbindung steht, und einlaufende Schallwellen den schallquellenseitigen Ab-45 schnitt des Einsatzes in Schwingung versetzen, durch Schwingungsübertragung zu dem zumindest einen Sensor der zumindest eine Aktor ein Schwingen des auspuffseitigen Abschnittes auslöst und die ausgelösten Schwingungen mit den einlaufenden Schallwellen überlagern.

Vorteilhaft an dieser Vorrichtung ist vor allem deren flexibler Aufbau. Der Einsatz kann an alle so Arten von Auspuffanlagen angepasst werden. Ebenso ist es möglich, die Vorrichtung in bereits bestehende Anlagen einzubauen.

Um eine optimale Schallreduktion in der Auspuffanlage zii erzielen, sind die ausgelösten Schwingungen phasenverschoben zu den einlaufenden Schallwellen. Die Phasenverschiebung ss der vom Aktor ausgelösten Schwingung im auspuffseitigen Abschnitt des Einsatzes bewirkt 3

AT 414 307 B eine - je nach Phasenlage - teilweise oder totale destruktive Interferenz der motorseitigen Schallwellen.

Da in der Auspuffanlagen hohe Temperaturen herrschen und Piezoelemente temperaturemp-5 findlich sind, sind die Piezoelemente außerhalb der Auspuffanlage anbringbar. Auf diese Weise kann der geräuschdämmende Einsatz beispielsweise bei Kraftfahrzeugen in der Auspuffanlage näher an den Motor gerückt werden. Dadurch sind lange Verrohrungen nicht mehr notwendig und die Auspuffanlage kann verkleinert werden. Dies spart Kosten und Gewicht. io In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind der zumindest eine Sensor und der. zumindest eine Aktor auf einem in zumindest zwei Segmente unterteilten Piezoelement realisiert. Dadurch können platz- und gewichtsparende Elemente eingesetzt werden. Natürlich sind auch Varianten möglich, bei welchen Sensor und Aktor durch unterschiedliche Piezoelemente gebildet werden. 15

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Piezoelement ein Piezofasermodul ist. Diese Module zeichnen sich durch eine hohe Flexibilität aus, somit ist der Einbau derartiger Piezoelement auch an Stellen mit geringstem Platzangebot möglich. 20 Bei einer bevorzugten Variante der Erfindung sind eine Steuerung und ein Hochspannungsverstärker zwischen dem zumindest einen Sensor und dem zumindest einen Aktor zwischengeschaltet. Mithilfe der Steuerung wird das vom Sensor erhaltene Signal ausgewertet, und über den Hochspannungsverstärker phasengekoppelt und frequenzgesteuert der Aktor angesteuert. So wird beispielsweise der Auspufflärm nicht völlig unterdrückt, sondern lediglich auf 20-30dB 25 reduziert. Dies erlaubt es dem Fahrer auch akustisch Veränderungen der Motorleistung wahrzunehmen. Ebenso ermöglicht die Steuerung eine Anpassung der Sensor/ Aktoreinheit an unterschiedliche Auspuffanlagen.

Der Einsatz dient zur Übertragung der Schallwellen zum Piezoelement. Dieses ist - im Fall 30 eines Piezofasermoduls - nur bis etwa 150°C temperaturbeständig und kann daher nicht direkt innerhalb der Auspuffanlage montiert werden, weil die Auspuffgase Temperaturen bis zu 1000°C innerhalb der Auspuffanlage erreichen.

In einer bevorzugten Variante der Erfindung ist der Einsatz aus einem mit Querwellungen ver-35 sehenen Blechstreifen gefertigt. Ein derartiger Einsatz für Schalldämpfer oder Katalysatoren ist der AT 407 771 B des Anmelders zu entnehmen. Durch die Kopplung des schalldämmenden Einsatzes mit einem oder mehreren Piezoelementen ist eine Lärmreduktion von Auspuffanlagen auf praktisch Null möglich. Zudem ist es möglich, einen derartigen Einsatz für unterschiedliche Auspuffanlagen zu verwenden. 40

In einer alternativen Ausführung der Erfindung besteht der Einsatz aus einem spiralförmigen Federelement oder ist aus miteinander über Stege verbundene Ringe gleichen Außendurchmessers gefertigt. Diese stellen kostengünstige Alternativen zu dem oben genannten Blechstreifen-Einsatz dar. 45

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Einsatz Bestandteil eines Katalysators zur Abgasreinigung ist. Auf diese Weise kann Gewicht eingespart werden, ein wichtiger Faktor in der Automobilindustrie. so Um Schwingungen anregen zu können wird elektrische Energie benötigt, daher ist die erfindungsgemäße Vorrichtung an eine Stromquelle angeschlossen. Handelt es sich bei der Auspuffanlage um jene eines Kraftfahrzeuges, so ist in einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung die Stromquelle eine Autobatterie. 55 Im folgenden wird die Erfindung anhand eines nicht einschränkenden Ausführungsbeispiels mit

Claims

4 AT 414 307 B zugehöriger Figur näher erläutert. Wie in der Figur dargestellt, befindet sich ein Einsatz EIN in einem Rohrabschnitt AUS der Auspuffanlage. In diesem Beispiel besteht der Einssatz EIN aus miteinander über Stege ver-5 bundene Scheiben, die über den selben Außendurchmesser verfügen und vorzugsweise aus Leichtmetall gefertigt sind, um Gewicht zu sparen. Die beispielsweise bei Kraftfahrzeugen vom Motor ausgestoßenen Abgase tragen den Schall durch das Auspuffsystem und treffen auf einen motorseitigen Abschnitt ABS1 des Einsatzes io EIN. Dieser Abschnitt ABS wird in Schwingung versetzt und überträgt diese Schwingungen zumindest teilweise auf ein außerhalb des Rohrabschnittes befindliches Piezofasermodul PIE. Bei der konkreten Ausführungsform ist dieses Piezofasermodul PIE in zwei Segmente unterteilt, wobei die von dem motorseitigen Abschnitt ABS1 übermittelten Schwingungen auf ein erstes 15 Segment treffen, das als Sensor SEN fungiert. Aufgrund des piezoelektrischen Effektes bewirken die eintreffenden Schwingungen die Ausbildung einer elektrischen Ladung. Diese -elektrische Energie wird auf bekanntem Weg an eine Steuerung STE übertragen. Die Steuerung STE errechnet anhand des vom Sensor SEN eintreffenderi Signals und bei-20 spielsweise anhand eines vorgegebenen Datensatzes ein Ausgangssignal. Dieses Signal wird an einen Hochspannungsverstärker (HSV) übermittelt, der wiederum das verstärkte Signal in Form von elektrischer Energie an ein zweites Segment AKT des Piezofasermoduls PIE übermittelt. Dieses als Aktor AKT fungierende Piezoelement schwingt aufgrund des piezoelektrischen Effektes in einer dem angelegten elektrischen Feld entsprechenden Frequenz und Amplitude. 25 Die dafür notwendige Energie wird von einer Stromquelle (BAT) zur Verfügung gestellt, die im Fall eines Kraftfahrzeuges die Autobatterie sein kann. Der Aktor AKT ist seinerseits mit einem auspuffseitigen Abschnitt ABS2 verbunden und versetzt diesen in Schwingung. Diese Schwingungen pflanzen sich sowohl in Richtung Auspuff als auch 30 in Richtung Motor fort. Die sich in Richtung Motor fortpflanzenden Schwingungen treffen auf die vom Motor ausgehenden Schwingungen und interferieren. Ist nun die Phasenverschiebung der vom Aktor AKT angeregten Schwingungen des Abschnitts ABS2 genau λ/2 der vom Motor ausgehenden Schwingungen, so wird eine totale Auslöschung der Schwingungen -erzielt und somit eine totale Geräuschreduktion. 35 Da sich die Anregungsfrequenz für den Aktor AKT je nach Motorzustand (z.B: Drehzahl, Betriebstemperatur etc.) ändern kann, verfügt die Steuerung STE idealerweise über eine interne Eichkurve. Anhand dieser wird die der Schwingungsfrequenz des motorseitigen Abschnitts ABS1 entsprechende Anregungsfrequenz für den Abschnitt ABS2 ermittelt. 40 Dieses Ausführungsbeispiel ist in nicht einschränkender Weise zu verstehen. So kann sie Erfindung in alle Arten von Auspuffanlagen eingesetzt werden, wie beispielsweise für Zweitakt-, Viertakt-Motoren, Wankelmotoren als auch bei Wasserstoffmotoren sowie für Fahrzeuge mit kombinierten Kraftstoffeellen. Ebenso ist die Anwendung bei Kleinmotoren, wie sie für Rasen-45 mäher, Kettensägen oder Motorsensen eingesetzt werden, denkbar. Patentansprüche: so 1. Vorrichtung zur Geräuschreduktion in Auspuffanlagen, welche-einen in einem Abschnitt eines Auspuffrohres (AUS) befindlichen schalldämpfenden Einsatz (EIN) aufweisen, -~dadürchgekermzeichnet~0ass----——- ein schallquellenseitig befindlicher Abschnitt-(ABS 1) des Einsatzes (EIN) mit zumindest einem Sensor (SEN) verbunden ist, 55 weiters der zumindest eine Sensor <SEN) mit zumindest einem Aktor (AKT) verbunden ist, 5 AT 414 307 B wobei der zumindest eine Sensor (SEN) und der zumindest eine Aktor (AKT) in Form von zumindest einem Piezoelement (PIE) ausgebildet sind, der zumindest eine Aktor (AKT) mit einem auspuffseitigen Abschnitt (ABS2) des Einsatzes (EIN) in Verbindung steht, und 5 / einlaufende Schallwellen den schallquellenseitigen Abschnitt (ABS1) des Einsatzes (EIN) in Schwingung versetzen, durch Schwingungsübertragung zu dem zumindest einen Sensor (SEN) der zumindest eine Aktor (AKT) ein Schwingen des auspuffseitigen Abschnittes (ABS2) auslöst und die ausgelösten Schwingungen mit den einlaufenden Schallwellen überlagern. 10
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgelösten Schwingungen phasenverschoben zu den einlaufenden Schallwellen sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezoelemente 15 außerhalb der Auspuffanlage angebracht sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Sensor (SEN) und der zumindest eine Aktor (AKT) auf zumindest einem in zumindest zwei Segmente unterteilten Piezoelement realisiert sind. 20
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Piezoelement ein Piezofasermodul ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steue- 25 rung (STE) und ein Hochspannungsverstärker (HSV) zwischen dem zumindest einen Sen sor (SEN) und dem zumindest einen Aktor (AKT) zwischengeschaltet sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (EIN) aus einem mit Querwellungen versehenen Blechstreifen gefertigt ist. 30
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (EIN) ein spiralförmiges Federelement ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz 35 (EIN) aus miteinander über Stege verbundenen Ringen gleichen Außendurchmessers ge fertigt ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (EIN) Bestandteil eines Katalysators zur Abgasreinigung ist. 40
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung an eine Stromquelle (BAT) angeschlossen ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle (BAT) eine 45 Autobatterie ist. Hiezu 1 Blatt Zeichnungen 50 55