用于影响多流排放系统中的排放噪声的系统

摘要

本发明涉及一种用于影响排放噪声的抗噪声系统，所述排放噪声通过多流排放系统传播，所述抗噪声系统包括控制器和至少一个致动器。至少一个致动器布置在声发生器中并连接至控制器以便接收控制信号，并适于在声发生器中产生声音。声发生器可同时连接至车辆的多流排放系统的至少两个排放道。控制器配置成产生控制信号，所述控制信号促使布置在声发生器中的至少一个致动器至少部分地且优选完全地消除车辆的多流排放系统的至少两个排放道中的声音。

说明书

相关申请的交叉引用

本发明要求以下申请的优先权：于2013年6月25日在德国提交、专 利申请号10 2013 010 609.5，所述申请通过引用整体结合入本文。

技术领域

本发明涉及用于影响声波(排放噪声)的系统，所述声波通过由内燃 机驱动的车辆的排放系统传播。更特别地，本发明涉及用于影响声波的系 统，所述声波通过多流排放系统传播。

背景技术

多流排放系统用于以较小阻力可靠地排放大容量的废气流。大容量废 气流尤其出现在强劲的发动机中。多流排放系统的特征在于，来自内燃机 的废气和经过排放系统的废气经由排放系统的至少两个排气尾管被排放至 环境中。

不管内燃机的构造如何(例如是往复式活塞发动机、少活塞式旋转发 动机或无活塞发动机)，连续执行冲程(特别是进气和燃料-空气混合物的 压缩、燃烧和燃烧后的燃料-空气混合物的排放)的结果是产生了噪声。一 方面，噪声以固体载声的形式通过内燃机传播，并以气体载声的形式被排 放至内燃机外。另一方面，噪声以气体载声的形式连同燃烧后的燃料-空气 混合物通过排放系统传播，所述排放系统与内燃机流动连通。

这些噪声常常被认为是不利的。一方面，由内燃机驱动的车辆的生产 商需遵守防噪声的法令规定。这些法令规定通常为车辆的运行指定了最大 的可允许声压。另一方面，生产商试图为他们生产的内燃机驱动的车辆赋 予特征性噪声排放，使噪声排放符合各生产商的形象，且受消费者的欢迎。 当前的小排量发动机常常不能自然地产生这种预期的特征性噪声。

通过内燃机以固体载声形式传播的噪声可被很好地抑止，因此防噪声 通常没有问题。随着具有小排量的内燃机或甚至电动机的使用增多，出现 了问题，即发动机(或电动机)噪声对使用者来说通常是无吸引力的，且/ 或不符合车辆生产商的形象。

以气体载声的形式连同燃烧后的燃料-空气混合物通过内燃机排放系 统行进的噪声被排气消声器减弱，所述排气消声器位于排放系统的排放口 之前，并在催化转化器(如果有的话)的下游。各消声器可例如根据吸收 和/或反射原理工作。两种运行原理的缺点在于，它们需要相当大的体积并 对燃烧后的燃料-空气混合物产生相当高的阻力，导致车辆的整体效率降低 和燃料消耗增加。

在相当长的一段时间内，已开发了所谓的抗噪声(反噪音)系统，作 为消声器的可选替代或补充，所述系统将电声学产生的抗噪声叠加在由内 燃机产生的、通过排放系统传播的气载噪声上。例如从以下文献已知各系 统：US4,177,874、US5,229,556、US5,233,137、US5,343,533、US5,336,856、 US5,432,857、US5,600,106、US5,619,020、EP0 373 188、EP0 674 097、 EP0 755 045、EP0 916 817、EP1 055 804、EP1 627 996、DE197 51 596、 DE10 2006 042 224、DE10 2008 018 085和DE10 2009 031 848。

典型地，各抗噪声系统采用所谓的滤波X最小均方(FxLMS)算法来 试图将误差信号变低至零(在噪声消除的情况下)或变至预设的阈值(在 噪声影响的情况下)，所述误差信号是由误差麦克风通过用至少一个扩音 器输出噪声测得的，所述扩音器与排放系统流动连通。为了在通过排放系 统传播的声波和由扩音器产生的抗噪声之间实现完全相消干涉，发源于扩 音器的声波必须与通过排放系统传播的声波在振幅和频率上匹配，但是有 180度的相对相位偏移。若扩音器产生的抗噪声声波与通过排放系统传播 的气体载声的声波在频率上匹配且相对其具有180度的相位偏移，但在振 幅上不与声波匹配，则仅能实现通过排放系统传播的气体载声的声波衰减。 针对通过排放管道传播的气载噪声的每一频带，抗噪声是这样分别计算的： 利用FxLMS算法、通过确定两个正弦振动(所述两个正弦振动相对于彼 此偏移了90度)的正确频率和相位、并通过为这些正弦振动计算所需振幅。 抗噪声系统的目的在于消除或影响声音，所述声音至少在排放系统之外、 但也可能在排放系统之内是听得见的、可测得的。本文中所用的术语“抗 噪声”用于把由抗噪声系统的至少一个扩音器输出的声音与通过排放系统 传播的、起因于连续执行内燃机冲程的气体载声区分开。在本质上，抗噪 声就是气体载声。需指出本文并不限于采用FxLMS算法。

在下文中参考图1和图2解释了带有根据先前技术的抗噪声系统的排 放系统：

排放系统的特征在于，抗噪声系统1包括声发生器2，所述声发生器2 是隔音壳体的形式，且包含扩音器3，并在排气尾管4的区域内连接至排 放系统6。

排气尾管4包括排放口5以便将经过排放系统的废气排放至环境。

在排气尾管4处以压力传感器的形式提供了误差麦克风7。误差麦克 风7在某一区域下游的区域内测量排气尾管4之内的压力变化和因而的噪 声，所述区域在排放系统6和声发生器2之间提供了流动连接。在此术语 “下游”与废气流的方向有关。在图2中废气流的方向以箭头示出。

扩音器3和误差麦克风7电气连接至(抗噪声)控制器8。此外，控 制器8经由CAN数据总线连接至内燃机10的发动机控制单元9。

抗噪声控制器8利用滤波X最小均方(FxLMS)算法，基于用误差麦 克风7测得的噪声，并基于经由CAN数据总线接收的内燃机10的运行参 数，为扩音器3计算数字控制信号，由此使数字控制信号能够通过施加抗 噪声来大体上消除通过排放系统6内部传播的噪声，并被提供至扩音器3。

已知的用于影响排放噪声的系统的缺点是，这些系统并非为多流排放 系统设计的。

发明内容

本发明的实施例提供了用于影响废气噪声的抗噪声系统，所述废气噪 声通过多流排放系统传播，抗噪声系统具有低复杂度和低成本。

实施例涉及用于影响排放噪声的抗噪声系统，所述排放噪声通过多流 排放系统传播。系统包括控制器和至少一个致动器。致动器配置成接收控 制信号并产生受控制信号支配的声音。特别地，致动器可以是扩音器，更 特别地，是声圈扩音器。至少一个致动器布置在声发生器中。可提供多个 声发生器，每个声发生器具有至少一个布置在其中的致动器。至少一个致 动器例如与控制器通讯，以便经由光学和/或电气线路接收控制信号，并配 置成在声发生器中产生声音。由此，在声发生器中产生了受控制信号支配 的声音，所述控制信号由控制器接收。声发生器还配置成同时与车辆的多 流排放系统的至少两个排放道连接。控制器配置成(且因而由软件配置成) 产生控制信号，所述控制信号促使布置在声发生器中的至少一个致动器至 少部分地、并优选完全地在振幅上消除车辆多流排放系统的至少两个排放 道内的声音。

结果，声发生器被同时分配给多流排放系统的至少两个排放道，并经 由流动连接将声音充满其中。因而在多流排放系统中无需为每一排放道提 供单独的带至少一个致动器的声发生器。相应地，仅需要一个控制器。这 节省了安装空间和成本，并减少了构造的复杂度。

在本文中多流排放系统应被理解为具有至少两个排气尾管的排放系 统，所述至少两个排气尾管与内燃机的燃烧室流动连通，或适于使其与内 燃机的燃烧室流动连通。排放系统可例如具有正好两个排气尾管，或具有 至少一对排气尾管，所述排气尾管与内燃机的燃烧室流动连通，或适于与 内燃机的燃烧室流动连通。

根据一个实施例，抗噪声系统还包括至少一个连接至控制器的误差麦 克风。误差麦克风配置成测量排放系统内部的声音，并经由光学或电气线 路输出相应的测量信号至控制器。控制器配置成通过输出控制信号至至少 一个致动器而至少部分地、优选完全地消除接收自误差麦克风的所测信号。 这是通过至少部分地或完全地在振幅上消除由误差麦克风测得的、经过排 放系统的声音而间接实现的。

根据一个实施例，至少一个误差麦克风可在一个位置处同时连接至车 辆的多流排放系统的至少两个排放道，所述位置相对于废气流位于声发生 器和排放系统之间通过附加管道流动连接的区域。

误差麦克风因而同时与多流排放系统的至少两个排放道相联，从而仅 需要一个闭环控制回路。这减少了构造的复杂度。

根据一个实施例，误差麦克风至至少两个排放道的流动连接是由两个 管子实现的，所述两个管子特别是柔性的，且特别地具有相同长度，由此 使两个管子利用T形管或Y形管互相连接，并由此使每一管子的自由端连 接至排放道。于是误差麦克风就分别位于T形管或Y形管的剩余支脚上。

根据可选实施例，为排放系统的每一排放道提供了至少一个误差麦克 风，由此使误差麦克风仅可连接至车辆多流排放系统的相联排放道，并位 于排放系统的一个位置，所述位置在声发生器和排放系统之间流动连接的 区域中。根据一个实施例，可在排放系统的一个位置处连接误差麦克风， 所述位置相对于废气流在声发生器和排放系统之间流动连接区域的下游。

因此，可为每一排放道提供单独的误差麦克风。根据一个实施例，将 来自所述误差麦克风的测量值取平均，并将对应于平均值的测量信号输出 至控制器。以这种方式，即使当存在若干个误差麦克风时，也可仅提供仅 一个闭环回路。

根据一个实施例，控制器可连接至车辆内燃机的发动机控制单元，并 配置成(且因而由软件配置成)产生数字控制信号，所述数字控制信号受 接收自发动机控制单元的信号支配。所述接收自发动机控制单元的信号可 例如包含发动机速度和/或内燃机扭矩。

根据一个实施例，系统包括仅一个致动器和相应的仅一个声发生器。

根据一个实施例，系统包括仅一个误差麦克风。

根据一个实施例，系统包括仅一个控制器。

根据一个实施例，声发生器包括双D形管，而双D形管的两个D形 管同时与共享的声发生器内部容积流动连通，且双D形管的每一D形管可 连接至车辆多流排放系统的正好一个排放管。双D形管是由两个半圆形截 面的管子这样构成的：将其各自的平坦侧放在一起，并在纵向边缘处通过 例如焊缝接合。

根据可选实施例，声发生器包括Y形管，且Y形管的一个支脚与声发 生器的内部容积流动连通，而Y形管的每一个其它支脚可与车辆多流排放 系统的正好一个排放道连接。

根据另一可选实施例，声发生器包括前室容积，若干个连接管同时伸 进所述前室容积，由此使每一连接管可连接至车辆多流排放系统的正好一 个相联排放道。

根据一个实施例，至少一个声发生器是包含至少一个扩音器的扩音器 壳体。

车辆多流排放系统的实施例包括至少两个排放道，且特别地至少一对 排放道，且更特别地正好两个排放道，以及如上所述的抗噪声系统。至少 两个排放道可连接至车辆的内燃机并适于使从内燃机排放的废气经过它 们。至少两个排放道的每一个包括排气尾管，经过各排放道的废气通过所 述排气尾管而从排放系统排放。声发生器同时连接至车辆多流排放系统的 至少两个排放道。

根据一个实施例，多流排放系统的抗噪声系统包括至少一个误差麦克 风，所述误差麦克风相对于废气流同时由附加管道在排放系统的一个位置 处连接至车辆多流排放系统的至少两个排放道，所述位置位于声发生器和 排放系统之间的流动连接的区域中。

根据一个实施例，对于排放系统的每一排放道，多流排放系统的抗噪 声系统包括至少一个误差麦克风，所述误差麦克风相对于废气流在排放系 统的一个位置处仅连接至车辆多流排放系统的一个相联排放道，所述位置 位于声发生器和排放系统之间的流动连接的区域中。

根据一个实施例，多流排放系统所有的至少两个排放道在内燃机和沿 各排放道某位置之间的长度是相同的，在所述位置处声发生器连接至各自 的排放道。可选地，允许长度差异少于10％，特别地少于5％，更特别地 少于3％。此外，各导管在各排放道和声发生器之间的长度同样也是相同 的。可选地，允许长度差异少于10％，特别地少于5％，更特别地少于3％。 由此防止了因导管的不同长度而导致的声音通过排放道传播所需时间的差 异。

根据一个实施例，多流排放系统的至少两个排放道包括共享的(共有 的)容积，所述容积相对于经过排放道的废气流动方向位于声发生器和排 放系统之间的流动连接的区域的上游和内燃机的下游。该共享容积确保了 通过至少两个排放道传播的两个声波的相位大体相同。所述共享容积可例 如设在涡轮增压器区域内。

根据一个实施例，至少两个排放道包括共有容积，所述容积相对于经 过排放道的废气流动方向位于排气尾管的上游和内燃机的下游。声发生器 布置在共有容积的区域内并因而同时连接至车辆多流排放系统的至少两个 排放道。共有容积可例如设在涡轮增压器区域内。在此声发生器无需布置 在共有容积之内。声发生器与共有容积流动连接/连通就足够了。

根据一个实施例，多流排放系统的至少两个排放道的每一个包括各自 的消声器(例如预消声器和/或中间消声器)和/或各自的排放控制系统(例 如催化转化器)。各自的消声器和/或各自的排放控制系统位于内燃机和/ 或共有容积(位于声发生器和排放系统之间的流动连接的区域上游和内燃 机下游)以及沿各自的排放道的某位置之间，在所述位置处声发生器连接 至各排放道。仅有经过相联排放道的废气分别流动通过各自的消声器和排 放控制系统。

机动车辆的实施例包括内燃机，所述内燃机带有如上所述的发动机控 制单元和多流排放系统。多流排放系统与内燃机、特别是与内燃机的燃烧 室流动连通。多流排放系统的抗噪声系统的控制器连接至车辆内燃机的发 动机控制单元。

用于控制抗噪声系统的方法的实施例包括以下步骤，所述方法用以影 响通过车辆多流排放系统传播的排放噪声：

从车辆的发动机控制单元接收运行参数(例如发动机速度和/或扭矩)。 此外或可选地，可在排放系统内测量声音。随后，基于运行参数和/或所测 声音计算出控制信号，且使声音信号适于在振幅上至少部分地且优选完全 地消除气体载声，所述气体载声由内燃机产生并经过多流排放系统的至少 两个排放道。随后通过用控制信号操作至少一个致动器来产生气载抗噪声， 并将抗噪声同时供至多流排放系统的至少两个排放道，以在振幅上至少部 分地且优选完全地消除由内燃机产生并经过至少两个排放道的声音。抗噪 声系统可例如是上述的抗噪声系统。

利用抗噪声系统以影响经过车辆多流排放系统的排放噪声的实施例包 括以下步骤：提供如上所述的反噪音系统；将声发生器接合至车辆多流排 放系统的至少两个排放道。由此，声发生器用于使同时与至少两个排放道 流动连通。

此外需注意，用在本说明书或权利要求书中用于列举特征的术语“包 括”、“包含”、“具有”和“带有”，以及它们的语法变型，通常应被 认为是为了说明无法完全列举的特征，例如方法步骤、部件、范围、尺寸， 等等，而绝不排除存在或附加有一个/多个其它特征或其它/额外的特征组 合。

附图说明

由以下对范例性实施例的详细描述以及权利要求书和附图，本发明的 前述以及其它有利特征将更加明显。在附图中，类同或相似的元件示为类 同或相似的标记。需注意，本发明的实施例并不限于所述的范例性实施例， 而是由所附权利要求书的范围限定的，而且并非所有可能的实施例都一定 展现了每一个或任一个本文所定义的有利特征。特别地，根据本发明的实 施例可相对于下文所举范例以不同数量和组合实现各特征。在以下对本发 明的范例性实施例的说明中，参考了所附的附图，其中，

图1的简图示出了排放系统一部分的透视图，所述排放系统包括抗噪 声系统的声发生器；

图2的简图示出了抗噪声系统根据先前技术与内燃机的排放系统配合 的框图，其中可采用图1的声发生器；

图3A、图3B、图3C的简图示出了根据本发明的三个实施例与内燃 机的排放系统配合的抗噪声系统；

图4A、图4B、图4C、图4D、图4E的简图示出了图3A、图3B、图 3C的抗噪声系统的声发生器根据本发明的四个实施例至内燃机排放系统 的连接；以及

图5的简图示出了包括排放系统的机动车辆，所述排放系统带有根据 本发明的抗噪声系统。

具体实施方式

在下文中，参考附图说明了本发明的若干个实施例。

参考图3A、图3B、图3C，由内燃机100产生的废气流首先汇合，然 后被送至涡轮增压器110。然后，废气沿两个排放道60、61分别经过两个 催化转化器62、63和两个预消声器64、65，并最终通过尾管40、41的排 放口50、51排放至环境。废气的流动方向由箭头标出。

需注意，涡轮增压器110、催化转化器62、63，以及预消声器64、65 仅是可选的。可选地或此外，还可提供其它元件以供排放控制和声吸收。 还应注意，可以有多于一对排放道。

根据图3A、图3B、以及图3C的所有实施例，抗噪声系统包括声发 生器20，所述声发生器在其中布置有扩音器。在接近排气尾管50、51处， 声发生器20经由导管21与两个排放道60、61流动连通。

两个排放道60、61在内燃机100和各排放道60、61上某位置之间的 长度是一样的，在所述位置处声发生器20连接至各排放道60、61。但是， 这并非强制性的。

根据图3A、图3B、图3C的所有实施例，至少一个由压力传感器构 成的误差麦克风70、71、72布置在流动连接声发生器的区域和排气尾管 50、51之间。

根据图3A的实施例，仅提供了一个误差麦克风70以供测量在排放道 60内的压力波动以及因此的声音。

根据图3B的实施例，每一排放道60、61包括误差麦克风70、71以 供测量在相联排放道60、61内的压力波动以及因此的声音。

根据图3C的实施例，仅提供了一个误差麦克风72，所述误差麦克风 经由T形软管接头73同时与两个排放道60、61流动连通，且所述误差麦 克风同时测量在两个排放道60、61内的压力波动以及因此的声音。

声发生器20的扩音器和误差麦克风70、71、72通过控制线路连接至 抗噪声控制器80。

抗噪声控制器80还经由CAN数据总线连接至内燃机100的发动机控 制单元90，并从发动机控制单元90接收内燃机100的最新运行参数，特 别是发动机速度和扭矩。需注意，可采用不同的车辆数据总线来代替CAN 数据总线，特别是LIN数据总线、MOST数据总线，或FlexRay数据总线。

抗噪声控制器80(在当前情况下是由软件配置成的微处理器)适于基 于由发动机控制单元90接收的内燃机运行参数和基于从误差麦克风70、 71、72接收的误差信号(测量信号)、利用滤波X最小均方(FxLMS) 算法产生控制信号，由此使控制信号适于操作声发生器20的扩音器，使得 经过排放道60、61的噪声在振幅上至少部分地被消除。噪声消除的结果可 由误差麦克风70、71、72验证。

从图4A、图4B、图4C、图4D和图4E显然可见，声发生器20至两 个排放道60、61的连接在每个上文所述的实施例中可以不同方式实现。

根据所有的图4A、图4B和图4C的实施例，排气尾管50、51由Y形 歧管66、67连接至各自对应的排放道60、61。每一Y形歧管66、67各自 的基部或根部连接至对应的排气尾管50、51，而Y形歧管的支脚连接至各 自排放道60、61的导管。Y形歧管66、67的另一支脚与各声发生器21、 23、25流动连通。Y形歧管66、67的支脚之间的锐角防止了相应声发生 器21、23、25的扩音器受到经过排放道60、61的废气压力的影响。

根据图4A的实施例，声发生器21的流动连接是由T形适配器22实 现的，所述适配器的两个支脚都连接至Y形歧管66、67的支脚，且所述 适配器的基部连接至声发生器21。

根据图4B的实施例，声发生器23的流动连接是由Y形适配器24实 现的，所述适配器的两个支脚都连接至Y形歧管66、67的支脚，且所述 适配器的基部连接至声发生器23。

根据图4C的实施例，声发生器25包括前室容积，Y形歧管66、67 的两个支脚伸进所述前室容积。

同样在图4D的实施例中，两个排气尾管50、51由Y形歧管68、69 连接至各自对应的排放道60、61，且每一Y形歧管68、69各自的基部或 根部连接至对应的排气尾管50、51，而Y形歧管68、69的支脚连接至各 自的排放道60、61的导管。Y形歧管68、69的另一支脚在至声发生器27 的接口附近构造成双D形管。在至声发生器27的接口附近，Y形歧管68、 69的另一支脚的每一个都因而具有半圆形截面，且平坦侧放在一起并由焊 缝接合。

根据所有的图4A、图4B、图4C和图4D的实施例，在各排放道60、 61和声发生器21、23、25、27之间的各导管的长度是相同的。

在图4A至图4D中未示出所用的误差麦克风。如图3A至图3C所示， 有以下选项：

提供一个误差麦克风，所述误差麦克风沿废气流布置在区域下游，所 述区域是各声发生器21、23、25、27至排放道60、61的流动连接受影响 的区域，并且与两个排放道60、61之一相联；

或

提供两个误差麦克风，每一所述误差麦克风与两个排放道60、61之一 相联，并且沿废气流布置在区域下游，所述区域是各声发生器21、23、25、 27至排放道60、61的流动连接受影响的区域；

或

提供一个误差麦克风，所述误差麦克风同时相联至两个排放道60、61 并通过流动接口连接至它们，所述流动接口沿废气流布置在区域下游，所 述区域是各声发生器21、23、25、27至排放道60、61的流动连接受影响 的区域。

根据图4E的实施例，声发生器29与容积110’通过导管28流动连通， 且容积110’由两个排放道60、61共享。该容积110’沿经过排放道60、61 的废气位于内燃机100的下游和排气尾管50、51的上游。在所示实施例中， 容积110’位于涡轮增压器(未示出)的下游。此外，提供了误差麦克风74， 所述误差麦克风在声发生器29至容积110’的流动连接区域的下游处(相对 于废气流)与容积110’流动连通。

参考图5，示出了机动车辆，所述机动车辆装有内燃机100以及上述 的带多流排放系统和抗噪声控制器80的抗噪声系统(图5中仅示出了所述 多流排放系统的排放道60)。带扩音器的声发生器在图5中未示出。

尽管对本发明参考其特定的范例性实施例进行了描述，但是显然，很 多可供选择实施例、改型和变型对本领域技术人员来说是显而易见的。因 此，本文阐述的本发明范例性实施例意在作为说明性的而绝不是限制性的。 可作出各种改变而不会偏离如以下权利要求书所限定的本发明的精神和范 围。