用于影响排气噪音、发动机噪音和/或进气噪音的系统 |
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| 申请号 | CN201410171018.8 | 申请日 | 2014-04-25 | 公开(公告)号 | CN104167205A | 公开(公告)日 | 2014-11-26 |
| 申请人 | 埃贝施佩歇尔排气技术有限及两合公司; | 发明人 | F·布加扎; S·塞贝奇; J·克吕格尔; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种用于影响车辆的废气噪音和/或进气噪音和/或 发动机 噪音的系统(7),包括： 控制器 (9)；以及，连接到控制器(9)以接收控制 信号 的至少一个扬声器(2)。所述至少一个扬声器(2)被配置为响应于从控制器(9)接收的 控制信号 ，在声音发生器(3)内产生噪音。控制器(9)包括：至少一个 微处理器 (91；91’)、至少一个数字-模拟转换器(92)、至少一个 放大器 (93)以及一个 升压转换器 (97)。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于影响车辆的排气噪音和/或进气噪音和/或发动机噪音的系统(7)，包括： |
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| 说明书全文 | 用于影响排气噪音、发动机噪音和/或进气噪音的系统技术领域[0001] 本发明涉及一种用于影响在由内燃机驱动的车辆的排气系统中传播的声波(排气噪音)和/或用于影响由车辆的发动机室内的发动机产生的发动机噪音和/或用于影响在内燃机的进气系统中传播的声波(进气噪音)的系统。 背景技术[0002] 无论内燃机的类型如何(例如往复式发动机、无活塞转缸式发动机或自由活塞式发动机)，作为连续执行的冲程(特别地，燃料-空气混合物的吸入和压缩，燃烧的燃料-空气混合物的燃烧和排放)的结果，产生噪音。另一方面，噪音通过内燃机以固体载声的形式传播，并以空气载声的形式发射到外部。另一方面，噪音以空气载声的形式与燃烧的燃料-空气混合物一起通过排气系统传播，排气系统与内燃机流体连通。 [0003] 这些噪音常常看作是不利的。另一方面，存在内燃机驱动车辆制造商遵守的关于噪音防护的法律规定。这些法律规定通常指定车辆运行的最大声压。另一方面，在噪音排放符合相应的制造商的形象且受到消费者欢迎的情况下，制造商试图对其制造的内燃机驱动车辆赋予特征性的噪音排放。具有晓得位移的现今的发动机常常不能天然地产生这种预期的特征性噪音。 [0004] 以固体载声的形式通过内燃机排放的噪音可以压抑地相当好，且因此，就噪音防护方面常常没有担心的问题。随着具有小位移的内燃机或甚至是电动机的更多的使用，产生这样的问题：发动机(或电动机)噪音常常不能吸引用户和/或不符合车辆制造商的形象。 [0005] 由于在具有电动机的情况下发动机噪音几乎完全消失，还存在这样的问题：行人常常不能之一到电气车辆或太晚注意到电气车辆。为了解决这一问题，建议在发动机(电动机)舱内布置扬声器，用于收听或产生希望的发动机噪音。 [0006] 以空气载声的形式与燃烧的燃料-空气混合器一起通过内燃机的排气系统行进的噪音被位于排气系统的排放开口前面以及触媒转化器(如果存在的话)下游的消音器减小。例如，相应的消音器可根据吸收和/或反射原理工作。两种运行原理的缺点在于，它们需要相对较大的体积，并对燃烧的燃料-空气混合物产生相对较高的阻抗，导致车辆整体效率的下降以及增大的燃料消耗。 [0007] 相当长时间以来，作为对消音器的补充或替代，已经开发出所谓反噪音系统，其在由内燃机产生并通过排气系统传播的空气载声噪音上叠加电声学地产生的反噪音。相应的系统例如可见以下文档：US4,177,874,US5,229,556,US5,233,137,US5,343,533,US5,336,856,US5,432,857,US5,600,106,US5,619,020,EP0373188,EP0674097,EP0755045,EP0916817,EP1055804,EP1627996,DE19751596,DE102006042224,DE102008018085 以 及DE102009031848。 [0008] 相应的反噪音系统典型地使用所谓X-滤波最小均方(FxLMS)算法，试图通过用与排气系统流体联通的至少一个扬声器输出声噪音将用误差麦克风测量的误差信号变为零(在噪音消除的情况下)或变为预设的阈值(在影响噪音的情况下)。为了实现通过排气系统传播的声波与由扬声器产生的反噪音之间的完全破坏性的干扰，来自扬声器的声波必须在幅度和频率上与通过排气系统的声波匹配，然而，具有180度的相对位移。如果在扬声器上产生的反噪音声波与通过排气系统传播的声波在频率上匹配且相对于其具有180度的相移但在幅度上与该声波不匹配，仅导致通过排气系统传播的声波的衰减。使用FxLMS算法，通过确定合适的频率并将两个正弦振动的相位设置为相对于彼此平移90度，以及通过计算对于这些正弦振动的所需要的幅度，对于通过排气管传播的空气载声噪音的各个频带分立地计算反噪音。反噪音系统的目标在于，至少在排气系统外(但是，视情况而定，也在排气系统内)的声音的消除或影响是可听且可测量的。本文档中使用的术语“反噪音”提供了对于由废气流动中的湍流以及内燃机自身导致的和在排气系统中传播的空气载声的区分。就其本身而言，反噪音仅仅是普通的空气载声。需要指出，本文档不限于FxLMS算法的使用。 [0009] 另外，在内燃机的进气系统中发生声波，其可能被认为是惹人烦恼的。这些声波由于空气流动中的湍流和你燃机自身引起。进气系统，也称为进气管道，包括位于燃烧室或燃烧空间前方的内燃机的全部导气部件。 [0010] 噪音消除和噪音影响的可靠性分别不足是用于影响排气噪音和/或进气噪音和/或发动机噪音的已知系统的缺点。另外，已知系统具有不足的效率。 发明内容[0011] 实施例提供了一种用于影响排气噪音和/或进气噪音和/或发动机噪音的系统，其表现出改进的噪音生成可靠性，同时，由于较小的损耗而表现出较高的效率。 [0012] 用于影响车辆(并且，特别是由内燃机驱动的车辆)排气噪音和/或进气噪音和/或发动机噪音的系统的实施例包括控制器(并且特别是反噪音控制器)和至少一个扬声器，扬声器连接到控制器，用于接收控制信号。连接例如可以电或光地实现。 [0013] 所述至少一个扬声器由此被配置为，响应于从控制器接收的控制信号，在所关联的声音发生器内产生声音，特别是反噪音。声音发生器保护扬声器免受污染和/或天气和/或热应力的影响。因此，在某些实施例中，声音发生器可被看作扬声器的外壳。 [0014] 声音发生器可被配置为布置在车辆的发动机室内。作为替代地，扬声器可在没有声音发生器的情况下被直接布置在发动机室或排气系统内。 [0015] 声音发生器可作为替代或作为附加地配置为流体连通地连接到排气系统。声音发生器内部和排气系统内部存在的流体交换因此是可行的。由此，不需要声音发生器内存在的整个流体与排气系统内部存在的流体的交换可行。声音发生器内部例如可被扬声器的膜分为两个部分。使用声音发生器将扬声器间接集成到排气系统内减小了由于流过排气系统的废气导致的扬声器的机械以及热应力。 [0016] 扬声器可作为替代或作为附加地被配置为流体连通地连接到进气系统。 [0017] 控制器包括至少一个微处理器、至少一个数字-模拟转换器、至少一个放大器以及至少一个(特别地，准确地说，一个)升压转换器(step-up converter)。放大器特别可为模拟放大器，进一步地，特别可为音频放大器。 [0018] 所述至少一个微处理器被配置为产生数字控制信号，其被适应为，当所述至少一个扬声器分别与排气系统或进气系统流体连通且基于所述数字控制信号运行时，至少部分地(特别地，完全地)在幅度和相位上压制排气系统或进气系统内的噪音。微处理器作为替代或作为附加地被配置为，当所述至少一个扬声器位于发动机舱内且基于所述数字控制信号运行时，产生适应于在发动机舱内产生噪音(特别地，发动机噪音)的数字控制信号。 [0019] 所述至少一个微处理器可以为个体装置，或者可集成到车辆的另一控制单元中，特别是集成到用于车辆内燃机的发动机控制单元中。 [0020] 所述至少一个数字-模拟转换器电气连接到所述至少一个微处理器，并被配置为将从所述至少一个微处理器输出的数字控制信号转换为模拟控制信号。连接例如可以电或光地实现。所述至少一个数字-模拟转换器可以为个体装置，或者可集成到所述至少一个微处理器中。 [0021] 所述至少一个放大器电气连接到所述至少一个数字-模拟转换器，并被配置为对从所述至少一个数字-模拟转换器输出的模拟控制信号进行放大，使得所诉至少一个扬声器可以用放大的模拟控制信号操作。放大器可特别地为AB类放大器、全桥放大器、D类放大器或G/H类放大器。全桥放大器和AB、G/H类放大器通过其增大的电磁兼容性来区分，D类放大器通过高效率来区分 [0022] 升压转换器被配置为连接到车辆的汽车电池，并适用于将由汽车电池供应的电池电压升压到恒定值，并将升压后的电池电压作为供电电压输出到所述至少一个放大器。为此目的，升压转换器电气连接到所述至少一个放大器。根据本发明，输出电压值总是高于或等于输入电压值的DC-DC转换器(也称为升压转换器或升压斩波器)通常理解为升压转换器。从升压转换器输出的电压的“恒定值”由此意味着其值相对于为该电压设置的值不高于5％(特别地，不高于3％)地变化的电压。 [0023] 使用升压转换器确保恒定的供电电压可用于所述至少一个放大器，且因此实现与通常在9V和16V之间变化的汽车电池的电压的解耦合。结果，系统的所述至少一个扬声器可以可靠地用理想的控制信号运行。当使用遵照关于穿过排气系统的空气载声噪音的噪音等级的法律规定的系统时，在汽车电池的变化电压上的所述改进的可靠性特别重要。 [0024] 使用升压转换器进一步允许使用这样的放大器：其要求高于车辆电池电压的供电电压。相应的放大器使得与放大器由来自汽车电池的电压供电相比，放大的模拟控制信号的电压等级的升高成为可能。作为此结果，可使用具有高输出阻抗的扬声器，由此，所述至少一个放大器和所述至少一个扬声器之间的线上的电阻损耗由于放大模拟控制信号的较高电压和较低电流而对于同样的功率等级较低。较低的电流进一步增大了电磁兼容性。由于功率储备的增长，相应的放大器进一步使得放大模拟控制信号的峰值与均方根值之间的比率的增大(且因此，波峰因数的增大)成为可能。 [0025] 根据一实施例，升压转换器被配置为将来自汽车电池的电池电压转换为可预设在12V和48V之间的恒定值，特别是12V或16V或24V或32V或36V或42V或48V，并将此电压以供电电压的形式供到所述至少一个放大器。这显著高于传统系统(特别是传统的反噪音系统)的放大器的供电电压的电压等级。由于较高的电压等级，在相同功率要求的情况下，可使用具有较高阻抗的扬声器，带来较低的供电电流。线路损耗由此减小，或者，可使用较小的导线截面，减小了系统成本。总的来看，系统效率由此减小。另外，电磁兼容性提升。 [0026] 根据一实施例，控制器是反噪音控制器，其被配置为与发动机(特别是车辆的内燃机)的发动机控制单元连接。控制器的所述至少一个微处理器进一步适用于产生数字控制信号，其依赖于从发动机控制单元接收的信号。通过这种方式，在有微处理器进行的控制信号的计算中可允许发动机的运行条件。 [0027] 根据一实施例，系统是反噪音系统，并进一步包括误差麦克风，其被连接到控制器并被配置为关于废气流动布置在位于扬声器与排气系统之间的流体连接区域中的排气系统的位置。“布置在扬声器与排气系统之间的流体连接区域中的位置”由此意味着流体连接的位置受到影响且噪音至少部分地被抑制的位置是：相对于废气流动，从沿着废气流动在上游的误差麦克风间隔开不超过由误差麦克风测量噪音的位置的废气系统的最大直径的十倍，特别是不超过五倍、更特别地是不超过两倍。误差麦克风被配置为测量排气系统内的噪音，并向控制器输出对应的测量信号。控制器的所述至少一个麦克风被配置为，通过向所述至少一个扬声器输出控制信号，在幅度和相位上至少部分地(优选为，完全地)湮灭从误差麦克风接收的信号。然而，需要指出，本发明不限于反噪音系统。 [0028] 根据一实施例，系统是反噪音系统，并进一步包括误差麦克风，其被连接到控制器，并被配置为布置在相对于吸入空气的流动，位于进气系统的在声音发生器和进气系统之间的流体连接区域中的位置。“布置在声音发生器和进气系统之间的流体连接区域中的位置”由此意味着流体连接受到影响且噪音至少部分地受到抑制的位置是：相对于进入的气流，从沿着吸入空气的流动位于下游的误差麦克风间隔开不超过进气系统在误差麦克风位于且噪音被测量的位置上的最大直径的十倍，特别是不超过五倍、更特别的是不超过两倍。误差麦克风被配置为测量进气系统内的噪音，并向控制器输出对应的测量信号。控制器的所述至少一个微处理器被配置为，通过向所述至少一个扬声器输出控制信号，至少部分地(优选为，完全地)在幅度和相位上湮灭从误差麦克风接收的信号。然而，需要指出，本发明不限于反噪音系统。 [0029] 术语“上游”和“下游”由此如下理解：当以恒定方向沿着流体路径流动的介质先经过第一部分、此后经过第二部分时，流动路径的第一部分位于同一流动路径的第二部分的上游，其中，第二部分不同于第一部分。于是，关于在沿着流动路径以恒定方向流动的同一介质，第二部分同时位于第一部分的下游。 [0030] 根据一实施例，所述至少一个数字-模拟转换器被集成到所述是少一个微处理器中，并且，在合适时，也集成到车辆的发动机控制单元中。通过这一点，部件数量保持为低。 [0032] 根据一实施例，所述至少一个扬声器具有2Ω和12Ω之间的输入阻抗，特别是在3Ω和4Ω之间。所述输入阻抗显著高于传统系统的扬声器的，特别是传统反噪音系统的扬声器的输入阻抗。 [0033] 根据一实施例，放大器是D类放大器，且LC低通布置在所述至少一个放大器和所述至少一个扬声器之间。根据一实施例，用于增大电磁兼容性的模块进一步布置在所述至少一个放大器和所述至少一个扬声器之间。 [0034] 机动车的实施例包括具有发动机控制单元的内燃机、分别与内燃机流体连通的进气系统和排气系统、汽车电池和上面的系统。该系统的所述至少一个声音发生器由此与进气系统和排气系统的至少一者流体连通。进一步地，该系统的控制器是反噪音控制器，其与车辆内燃机的发动机控制单元电气连接。 [0035] 根据一实施例，反噪音控制器包括误差麦克风，其布置进气系统的相对于吸入空气的流动位于声音发生器和进气系统之间的流体连接区域中的位置，并连接到进气系统。误差麦克风可作为替代或作为附加地布置在排气系统的相对于废气流动位于声音发生器和排气系统之间的流体连接区域中的位置，并连接到排气系统。另外，反噪音控制器被连接、特别是电气连接到误差麦克风。 [0036] 机动车的替代性实施例包括布置在具有发动机控制器的发动机室的驱动发动机或电动机、汽车电池以及上面的系统。驱动发动机或电动机可以是内燃机或电动机。该系统的所述至少一个声音发生器由此与发动机室流体连通，或者，所述至少一个声音发生器被布置在发动机室内。另外，该系统的控制器被连接、特别是电气连接到驱动发动机或电动机的发动机控制单元。 [0037] 在此背景下，应当注意，如果没有以其他方式明确说明，术语“控制”在这里贯穿整个文档使用，且不同于与术语“闭环控制”同义的德语用法。这也对两个术语的所有语法变型适用。因此，在本文档中，术语“控制器”也包括控制变量或其测量值的反馈，因为术语“反馈控制器”可以指简单的控制链。 [0038] 另外，注意，术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”和“有着”以及本说明书或权利要求对所列特征使用的其语法变型一般认为指类似于例如方法步骤、部件、范围、尺寸等特征的非穷举性列举，不排除一个以上其他特征或其他或附加特征组的存在或附加。附图说明 [0039] 由下面对示例性实施例的介绍以及权利要求和附图将会明了本发明进一步的特征。在附图中，类似或相似的参照元件用类似或相似的参考标号指示。注意，本发明不限于所介绍的示例性实施例的实施方式，而是由所包括的权利要求的范围限定。特别地，根据本发明的实施例可以以与下面提供的实例不同的数量和组合实现个体特征。在下面对本发明示例性实施例的阐释中，参照附图，在附图中： [0040] 图1为用于排放控制系统的反噪音系统的透视图的原理图示； [0041] 图2为一原理图示，其示出了与内燃机的排气系统和进气系统协作的反噪音系统的框图，由此，图1的系统可用于排气系统； [0042] 图3为一原理图示，其示出了根据本发明一实施例的系统的控制器的框图，其可在图1和2的反噪音系统中使用； [0043] 图4为一原理图示，其示出了根据本发明的替代性实施例的控制器的框图，其作为实例地在发动机室内部使用用于影响发动机噪音的系统；以及 [0044] 图5为一原理图示，其示出了集成了根据本发明的系统的机动车。 具体实施方式[0045] 下面，将用反噪音系统的实例参照图1、2和3介绍根据本发明的实施例的系统7。 [0046] 反噪音系统7包括采用包含扬声器2的隔音罩的形式的声音发生器3，其连接到尾管1的区域中的排气系统4。 [0047] 尾管1包括排放口8，用于排放流经排气系统的废气4。 [0049] 然而，需要指出，本发明不限于误差麦克风的这种布置。通常，相对于排放流动使误差麦克风沿着排气流动在下游从声音发生器与排放系统之间的流体联通间隔开不超过排气系统在此流体连接中的最大直径的十倍、特别是不超过五倍、更特别的是不超过两倍是足够的。另外，需要指出，误差麦克风5仅仅是视情况可选的。因此，当噪音在发动机室内产生或将被影响时，不需要误差麦克风。 [0050] 具有扬声器2a且可与图1所示声音发生器3相比拟的声音发生器3a连接到进气系统12。误差麦克风5a布置在吸入空气上游的进气系统12中。 [0051] 吸入空气和排放气体的流动方向在图2中用箭头指示。 [0052] 扬声器2、2a和误差麦克风5、5a电气连接到(反噪音)控制器9。进一步地，控制器9经由CAN数据总线连接到内燃机6的发动机控制单元11，并由具有在9V和16V之间变化的DC电压的汽车电池10供电。注意，可代替CAN总线地使用不同的车辆数据总线，特别是LIN总线、MOST总线或Flexray总线。 [0054] 上面的系统7的一般运行模式如下： [0055] 基于用相应的误差麦克风5、5a测量的噪音并基于经由CAN数据总线接收的内燃机6的运行参数，对于两个扬声器2、2a中的每一个，反噪音控制器9的如图3所示的微处理器91、91’使用X-滤波最小均方(FxLMS)算法来计算数字控制参数，由此，数字控制信号通过应用反噪音使得通过进气系统12或排气系统内部传播的噪音的基本消音成为可能，并被提供给相应的扬声器2、2a。 [0056] 图3示出了用于图1和2所示的反噪音系统的(反噪音)控制器的第一实施例。为清楚起见，图3仅仅示出了和与排气系统相关联的扬声器2有关的部分。 [0057] 根据图3所示的第一实施例，控制器9包括除微处理器91以外的数字-模拟转换器92，其连接到微处理器91，将从微处理器91输出的数字控制信号转换为模拟控制信号，并将模拟控制信号供到A类放大器93。A类放大器93将从数字-模拟转换器92接收的模拟信号升高到使能扬声器2的运行的等级，并将放大后的模拟控制信号输出到扬声器2。需要指出，A类放大器93和扬声器2之间的滤波器94的使用仅仅是视情况可选的。另外，可使用其他类型的模拟放大器，特别是音频放大器。 [0058] A类放大器93的供电电压VB被升压转换器97保持为对于A类放大器93可用，升压转换器97经由滤波器被供以来自汽车电池10的电池电压VBATT。在当前实施例中，升压转换器97将供给它的电池电压VBATT(其可在9V和16V之间变化)升压为用于A类放大器的供电电压VB，该供电电压为恒定的24V电压，不依赖于变化的输入电压。结果，从A类放大器93输出到扬声器2的放大后的模拟控制信号关于其等级也不依赖于变化的电池电压。使用如反噪音系统中所示的控制器，当从排气系统4发出的噪音的噪音等级由于法律规定在任何运行条件下不能超过时，这一点是重要的。 [0059] 另外，由于其相对于电池电压VBATT较高的供电电压，A类放大器能够向扬声器2供给具有与传统控制器相比较高电压等级的放大模拟控制信号。另一方面，当与传统的反噪音系统相比时，这使得具有较高输入阻抗的高阻抗扬声器2的使用成为可能，并且，另一方面，用于扬声器2的供电线的线路损耗由于较高的电压等级而减小。另外，用于扬声器的供电线上的所关联的较低电流也导致较低的电磁干扰，改进了反噪音系统7的电磁兼容性(EMC)。最后，当与传统反噪音控制器相比时，A类放大器93的较高的供电电压VB使得实现较高的波峰因数成为可能，且因此，使得实现输出到扬声器的放大的模拟控制信号的峰值与均方根值之间的较高比率成为可能。这一点的原因在于以较高运行电压可行的功率储备。 [0060] 由于图4所示的第二实施例非常类似于上面参照图3介绍的第一实施例，下面除去第一实施例提到的，仅仅介绍区别。 [0061] 与上面的第一实施例不同，根据图4所示的第二实施例的控制器9’不在反噪音系统中使用，而是用于用连接到控制器且布置在车辆的发动机室6’内的扬声器产生噪音。 [0062] 第二实施例与第一实施例的不同还在于微处理器91’包括集成的数字-模拟转换器，使得其不必在微处理器91’和放大器93’之间使用分立的数字-模拟转换器。另外，使用D类放大器93’。 [0063] 另外，升压转换器97根据第二实施例直接连接到汽车电池10，故而不在汽车电池和升压控制器之间设置滤波器。 [0064] 另外，LC低通94根据第二实施例布置在D类放大器93’的输出上，用于改进电磁兼容性的模块集成到LC低通94。 [0065] 最后，两个扬声器2’、2”根据第二实施例设置在车辆的发动机室6’内，扬声器用经由LC低通94来自D类放大器的放大的模拟控制信号供电。相应地，微处理器91’被配置为产生数字控制信号，其适用于当用控制信号运行两个扬声器2’、2”时在发动机室6’内产生发动机噪音。 [0066] 图5的原理图示示出了机动车，其具有容纳内燃机6的发动机室6’、排气系统4和上面的控制器9、9’。系统的声音发生器和扬声器没有在图5中明确示出。如果车辆具有容纳在电动机室6’内的电动机，不需要排气系统4。 [0067] 为清楚期间，仅在图中示出了对理解本发明有利的元件、部件和功能。然而，本发明的实施例不限于所示的元件、部件和功能，而是可包括对于其使用或功能范围必需的进一步的元件、部件和功能。 [0068] 尽管上面已经参照最多两个扬声器、且因此最多两个排气系统介绍了本发明，本发明不限于此。事实上，本发明可扩展到任何数量的扬声器和排气系统。尽管已经参照与排气系统和进气系统均关联的反噪音系统介绍了本发明，本发明不限于此。相应地，可省略这些反噪音系统中的一个或甚至是二者。 [0069] 尽管上面已经参照反噪音系统介绍了控制器的第一实施例并参照用于在发动机室内产生发动机噪音的系统介绍了第二实施例，本发明不限于此。第二实施例的控制器例如可用在反噪音系统中，且第一实施例的控制器可用在用于在发动机室内产生发动机噪音的系统中。另外，可同时使用至少一个反噪音系统和用于在发动机室内产生发动机噪音的系统。 |
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