Aktive Abgasschalldämpfer

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    13-Feb-2015
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Titelthema Ak ustik

Aktive AbgasSchalldmpferIn den vergangenen Jahren hat Eberspcher aktive Schalldmpfer entwickelt und in Prototypen-Abgasanlagen erprobt. Hierbei wurden erhebliche Dmpfungen des Abgasgerusches in einem Frequenzbereich von 40bis 400Hz erzielt und somit der gesamte relevante Bereich der Motorordnungen abgedeckt. Besondere Fortschritte wurden darber hinaus bei der Dauerhaltbarkeit und der Industrialisierung des Aktors erreicht. Diese Komponente konnte dabei in Gre und Gewicht derart verkleinert werden, dass nun eine Integration in unterschiedliche Baurume verschiedener Pkw gelingt.

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autoren

AKTOR ERSETZT N ACHSCHALLDMPFER

Dr.-Ing. Jan Krger

ist Abteilungsleiter AkustikGrundlagenentwicklung bei der J. Eberspcher GmbH & Co KG in Esslingen.

Dipl.-Ing. Michael Pommerer

ist Gruppenleiter Akustik rundlagenentwicklung bei der G J. Eberspcher GmbH & Co KG in Esslingen.

Dr. rer. nat. Rolf Jebasinski

ist Leiter der Grundlagenentwicklung bei der J. Eberspcher GmbH & Co KG in Esslingen.

Bei der Auslegung von Abgasanlagen durch virtuelle Berechnungs- und Optimie rungsverfahren sind in den vergangenen zehnJahren erhebliche Fortschritte erzielt worden. Jedoch ergeben sich noch immer aus dem Zielkonflikt zwischen der erforder lichen Dmpfung, dem Schalldmpfervolu men beziehungsweise dem Gewicht und dem ntigen Gegendruck der Abgasanlage systematische Grenzen, die mit der konven tionellen passiven Schalldmpfertechnik nicht berschritten werden knnen. Diese Limits werden weiterhin von der zur Verfgung stehenden Entwicklungszeit sowie dem Kostenrahmen beeinflusst und fhren schlielich in jedem Entwicklungsprojekt zu einem finalen Design mit einem be stimmten Schalldmpfervolumen. Vor diesem Hintergrund knnen die we sentlichen Vorteile der neuen Active Noise Control-Technik(ANC) von Eberspcher genutzt werden, um den Mehraufwand fr zustzlich bentigte Komponenten wie Laut sprecher und Elektronik zu kompensieren. Die Hauptvorteile der ANC-Technik sind: : Die hohe Effizienz bei der Reduzierung der tieffrequenten Motorordnungen er mglicht kleinere Schalldmpfer. : Durch den geringeren Gegendruck entfaltet sich die Motorleistung besser und/oder sinkt zu einem gewissen Teil der Kraftstoffverbrauch. : Die Bedatung der Software erlaubt eine einfache, kundenorientierte Soundabstimmung und sogar ein adaptives Sounddesign. : Die Vielseitigkeit des Aktormoduls untersttzt Gleichteilestrategien.

bersicht ber das ActiveSilence-System

: Der vereinfachte Entwicklungsprozess baut auf erprobten Komponenten auf und kann zu reduzierten Entwicklungs kosten sowie krzeren Entwicklungszeiten fhren. Aufgrund der genannten grundstzlichen Vorteile aktiver Abgasschalldmpfer fr Verbrennungskraftmaschinen wurden be reits viele Untersuchungen an Forschungseinrichtungen und in der Industrie durchgefhrt [1-5]. Auch Eberspcher konzen trierte sich in den ersten Experimenten auf eine Integration des aktiven Elements (Lautsprecher) in einen speziell konstruierten Nachschalldmpfer [6]. Obwohl sich zahlreiche funktionale Vorteile eindeutig nachweisen lieen, gelang eine Einfhrung in die automobile Serienproduktion nicht, da kaum Vorteile bei Gewicht und den Kosten dargestellt werden konnten. In einem neuen Konzept wurde daher der Aktor konsequent berarbeitet und ersetzt nun den Nachschalldmpfer komplett [7], . Der Gesamtaufbau des Active Silence-Systems bleibt im Vergleich zu frheren Anstzen unverndert, das heit der Aktor wird von einem Mikrocontroller mit integriertem Digitalverstrker angesteuert. In der elektronischen Hardware berechnet ein komplexer Regelalgorithmus das Antischallsignal aus den Eingangsgren wie Drehzahl oder Last aus dem zentralen Motorsteuergert (ECU) und einem Signal vom Fehlermikrofon, das sich am Endrohr befindet. Der Aktor enthlt einen elektro-magnetischen Lautsprecher und ist nahezu kugel frmig gestaltet, was zu einer hohen Form steifigkeit fhrt. Die seitliche Anbringung am Abgasstrang im Endrohrbereich reduziert darber hinaus die thermische Belastung des relativ empfindlichen Lautsprechers auf ein vertretbares Ma, . Mit einem Volumen unter 3l und einem Gewicht unter 3kg gestattet diese Konstruk tion erhebliche Flexibilitt, um an verschie dene Unterbodengeometrien angepasst zu werden und so in verschiedenen Fahrzeugenplattformen unterschiedlicher Auto mobilhersteller zur Anwendung zu kommen. Die mglichen Auswirkungen dieser Technik werden im Folgenden anhand zweier Fallstudien nher erlutert. Um einen fairen Vergleich zwischen den konventionellen Schalldmpfern und den Aktoren sicherzustellen, wurden fr das Gesamtvolumen des aktiven Systems in klusive der Verbindungsrohre (grne Be

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Titelthema Ak ustik

Integration des Aktorsin die Abgasanlage am EndrohrVolumen des Mittelschalldmpfers Volumen des Nachschalldmpfers Gegendruck nach Katalysator Masse des gesamten Systems

Serienanlage

Aktives System

12,4l 2 x 13,5l = 27,0l 50mbar 22kg

12,4l + 3,0l = 15,4l 2 x 5,0l = 10,0l 40mbar 23kg

Daten der Schalldmpferanlage des 2,0-l-Vierzylinder-Ottomotors

Abgasanlage mit Aktiv-Schalldmpfern

reiche in ) etwa 5l und 5kg angenommen. Weiterhin wurde in jeder Fallstudie der motornahe Bereich der Abgasanlage inklusive der Abgasreinigung (sogenanntes Hot-End) vom jeweiligen Serienstand bernommen. Da zudem die Aufhngepunkte beibehalten und die Unterbodenfreiheit eingehalten wurden, konnten alle Demonstratorfahrzeuge normal auf ffentlichen Straen bewegt und zahlreichen Automobilherstellern vorgefhrt werden.UNTERSUCHUNG MIT EINEM V IERZYLINDER-OTTOMOTOR

In der ersten Studie wurde ein aktives Ab gassystem fr eine Limousine mit einem 2,0-l-Vierzylinder-Ottomotor mit Turboauf ladung und Direkteinspritzung (147kW Leistung, 280Nm Drehmoment) mit einer zweiflutigen Schalldmpferanlage entwickelt. Die wesentlichen Daten der Schalldmpferanlage sind in aufgelistet. In diesem Demonstrationsprojekt be stand das Hauptziel in der Minderung der Zndfrequenz, das heit der 2.Motorord-

nung(MO), und zwar mglichst ohne den niedrigen Gegendruck des Seriensystems zu erhhen und natrlich unter Einhaltung aller Bauraumanforderungen. Dies wurde durch die Verwendung eines bauraumkon formen kleinen Vorschalldmpfers sowie den Ersatz der Nachschalldmpfer durch Aktoren erreicht, . Insgesamt konnte dadurch das Schalldmpfervolumen um etwa 14l, zirka 36%, reduziert werden, whrend Gegendruck und Gesamtmasse etwa auf Serienniveau liegen.

Die akustischen Ergebnisse sind in und dargestellt und wurden auf einem Rollenprfstand unter voller Last in einer Entfernung von 0,5m unter einem Winkel von 45 von der Abgasmndung gemessen. Mit abgeschaltetem Aktiv-System entsteht ein um zirka 5dB(A) hherer Gesamt pegel als mit dem Serienschalldmpfer. Werden die aktiven Schalldmpfer jedoch eingeschaltet, so ergibt sich eine signifikante Minderung von 2bis 8dB(A), die in fast dem gesamten Drehzahlbereich zu

Schalldruckpegel [dB(A)] 110

2. Ordnung

Schalldruckpegel [dB(A)] 110

2. Ordnung

100

100

- Serie - ANC off - ANC on

90

90

80

80

70

60 1000 2000 3000

- Production system - ANC off - ANC on4000 5000 6000

70

60 1000 2000 3000 4000 5000 6000

Drehzahl [1/min]

Drehzahl [1/min]

Gesamt-Schalldruckpegel an der Mndung des Vierzylinder-Ottomotors

Schalldruckpegel der 2. Motorordnung an der Mndung des Vierzylinder-Ottomotors

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Serienanlage Volumen des Nachschalldmpfers Gegendruck nach DPF Masse des gesamten Systems

Aktives System

2 x 13,5l = 27,0l 205mbar 19kg

5,0l 70mbar 10kg

Daten der Schalldmpferanlage des 3,0-l-Sechszylinder-Dieselmotors

einem etwas geringeren Gesamtpegel fhrt als mit den Serienschalldmpfern. In ist der Effekt an der 2. MO noch deutlicher zu erkennen. Hier beginnt die aktive Minderung bei etwa 1200/min (40Hz) und betrgt im Maximum fast 20dB(A), so dass ein leichtes Brummen der Serienanlage nicht mehr wahrnehmbar ist.UNTERSUCHUNG MIT EINEM S ECHSZYLINDER-DIESELMOTOR

In einer zweiten Studie wurde ein aktives Abgassystem fr eine Limousine mit einem

3,0-l-Sechszylinder-Dieselmotor mit Turbo aufladung (170kW Leistung; 450Nm Drehmoment) mit einer zweiflutigen Schalldmpferanlage entwickelt. Die we sentlichen Daten der Schalldmpferanlage sind in aufgelistet. In der Serien-Abgasanlage befand sich ein Diesel-Partikelfilter(DPF), jedoch kein Mittelschalldmpfer. Die zweiflutige SerienSchalldmpferanlage wurde durch eine ein flutige aktive Schalldmpferanlage mit nur einem Aktor ersetzt, . Dadurch reduziert sich das verbaute Schalldmpfervolumen drastisch um 22l, zirka 80%. Darberhi

naus konnte hier auch der im Auslasstrich ter des DPF gemessene Gegendruck um zirka 135mbar und damit wesentlich verringert werden. Nicht zuletzt wiegt das aktive System selbst unter Beachtung von Kabeln und Steuerung zirka 9kg weniger als das Seriensystem. Dabei wurden weitere Einsparungen durch den mglichen Entfall von Hitzeschutzblech und Abgasaufhngungen noch nicht bercksichtigt. Selbstverstndlich war diese wesentliche Gewichtsreduzierung nur mglich, weil auf ein sichtbares Endrohr bewusst verzichtet wurde, was mglicherweise negative Auswirkungen auf das optische Erscheinungsbild hat. Jedoch sollte in dieser Studie lediglich das Leichtbaupotenzial untersucht werden, ohne die wesentlichen an deren Funktionen wie Gegendruck und Akustik zu sehr einzuschrnken. Die akustischen Ergebnisse sind in und dargestellt und wurden in der glei-

Abgasanlage fr einen Sechszylinder-Dieselmotor (links: Serienanlage; rechts: aktives System)

Schalldruckpegel [dB(A)] 100

Gesamtpegel

Schalldruckpegel [dB(A)] 100