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In den vergangenen Jahren hat Eberspächer aktive Schalldämpfer entwickelt und in Prototypen-Abgasanlagen

erprobt. Hierbei wurden erhebliche Dämpfungen des Abgasgeräusches in einem Frequenzbereich von 40 bis

400 Hz erzielt und somit der gesamte relevante Bereich der Motorordnungen abgedeckt. Besondere Fortschritte

wurden darüber hinaus bei der Dauerhaltbarkeit und der Industrialisierung des Aktors erreicht. Diese Komponente

konnte dabei in Größe und Gewicht derart verkleinert werden, dass nun eine Integration in unterschiedliche

Bauräume verschiedener Pkw gelingt.

Aktive AbgAsschAlldämpfer

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TiTelThema AKuStIK

aKTOR eRSeTZT NaChSChallDÄmPFeR

Bei der Auslegung von Abgasanlagen durch virtuelle Berechnungs- und Optimie-rungsverfahren sind in den vergangenen zehn Jahren erhebliche Fortschritte erzielt worden. Jedoch ergeben sich noch immer aus dem Zielkonflikt zwischen der erforder-lichen Dämpfung, dem Schalldämpfervolu-men beziehungsweise dem Gewicht und dem nötigen Gegendruck der Abgasanlage systematische Grenzen, die mit der konven-tionellen passiven Schalldämpfertechnik nicht überschritten werden können. Diese Limits werden weiterhin von der zur Ver-fügung stehenden Entwicklungszeit sowie dem Kostenrahmen beeinflusst und führen schließlich in jedem Entwicklungsprojekt zu einem finalen Design mit einem be-stimmten Schalldämpfervolumen.

Vor diesem Hintergrund können die we-sentlichen Vorteile der neuen „Active Noise Control“-Technik (ANC) von Eberspächer genutzt werden, um den Mehraufwand für zusätzlich benötigte Komponenten wie Laut-sprecher und Elektronik zu kompensieren. Die Hauptvorteile der ANC-Technik sind:

Die hohe Effizienz bei der Reduzierung der tieffrequenten Motorordnungen er-möglicht kleinere Schalldämpfer.Durch den geringeren Gegendruck ent-faltet sich die Motorleistung besser und/oder sinkt zu einem gewissen Teil der Kraftstoffverbrauch.Die Bedatung der Software erlaubt eine einfache, kundenorientierte Sound-abstimmung und sogar ein adaptives Sounddesign.Die Vielseitigkeit des Aktormoduls unterstützt Gleichteilestrategien.

Der vereinfachte Entwicklungsprozess baut auf erprobten Komponenten auf und kann zu reduzierten Entwicklungs-kosten sowie kürzeren Entwicklungs-zeiten führen.

Aufgrund der genannten grundsätzlichen Vorteile aktiver Abgasschalldämpfer für Verbrennungskraftmaschinen wurden be-reits viele Untersuchungen an Forschungs-einrichtungen und in der Industrie durch-geführt [1-5]. Auch Eberspächer konzen-trierte sich in den ersten Experimenten auf eine Integration des aktiven Elements (Lautsprecher) in einen speziell konstru-ierten Nachschalldämpfer [6]. Obwohl sich zahlreiche funktionale Vorteile ein-deutig nachweisen ließen, gelang eine Ein-führung in die automobile Serienproduk-tion nicht, da kaum Vorteile bei Gewicht und den Kosten dargestellt werden konn-ten. In einem neuen Konzept wurde daher der Aktor konsequent überarbeitet und ersetzt nun den Nachschalldämpfer kom-plett [7], ❶. Der Gesamtaufbau des „Active Silence“-Systems bleibt im Vergleich zu früheren Ansätzen unverändert, das heißt der Aktor wird von einem Mikrocontroller mit integriertem Digitalverstärker ange-steuert. In der elektronischen Hardware berechnet ein komplexer Regelalgorithmus das Antischallsignal aus den Eingangsgrö-ßen wie Drehzahl oder Last aus dem zen-tralen Motorsteuergerät (ECU) und einem Signal vom Fehlermikrofon, das sich am Endrohr befindet.

Der Aktor enthält einen elektro-magne-tischen Lautsprecher und ist nahezu kugel-förmig gestaltet, was zu einer hohen Form-steifigkeit führt. Die seitliche Anbringung am Abgasstrang im Endrohrbereich redu-ziert darüber hinaus die thermische Belas-tung des relativ empfindlichen Lautspre-chers auf ein vertretbares Maß, ❷.

Mit einem Volumen unter 3 l und einem Gewicht unter 3 kg gestattet diese Konstruk-tion erhebliche Flexibilität, um an verschie-dene Unterbodengeometrien angepasst zu werden und so in verschiedenen Fahrzeu-genplattformen unterschiedlicher Auto-mobilhersteller zur Anwendung zu kom-men. Die möglichen Auswirkungen dieser Technik werden im Folgenden anhand zweier Fallstudien näher erläutert. Um einen fairen Vergleich zwischen den kon-ventionellen Schalldämpfern und den Aktoren sicherzustellen, wurden für das Gesamtvolumen des aktiven Systems in-klusive der Verbindungsrohre (grüne Be-

DR.-iNg. JaN KRügeR ist Abteilungsleiter Akustik-

Grundlagenentwicklung bei der J. Eberspächer GmbH & Co KG

in Esslingen.

DiPl.-iNg. miChael POmmeReR ist Gruppenleiter Akustik-

Grundlagenentwicklung bei der J. Eberspächer GmbH & Co KG

in Esslingen.

DR. ReR. NaT. ROlF JebaSiNSKi ist Leiter der Grundlagenentwicklung bei der J. Eberspächer GmbH & Co KG

in Esslingen.

AutorEn

❶ Übersicht über das „ActiveSilence“-System

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reiche in ②) etwa 5 l und 5 kg angenom-men. Weiterhin wurde in jeder Fallstudie der motornahe Bereich der Abgasanlage inklusive der Abgasreinigung (sogenann-tes Hot-End) vom jeweiligen Serienstand übernommen. Da zudem die Aufhänge-punkte beibehalten und die Unterboden-freiheit eingehalten wurden, konnten alle Demonstratorfahrzeuge normal auf öffent-lichen Straßen bewegt und zahlreichen Automobilherstellern vorgeführt werden.

UNTeRSUChUNg miT eiNem VieRZYliNDeR-OTTOmOTOR

In der ersten Studie wurde ein aktives Ab-gassystem für eine Limousine mit einem 2,0-l-Vierzylinder-Ottomotor mit Turboauf-ladung und Direkteinspritzung (147 kW Leistung, 280 Nm Drehmoment) mit einer zweiflutigen Schalldämpferanlage entwi-ckelt. Die wesentlichen Daten der Schall-dämpferanlage sind in ❸ aufgelistet.

In diesem Demonstrationsprojekt be-stand das Hauptziel in der Minderung der Zündfrequenz, das heißt der 2. Motorord-

nung (MO), und zwar möglichst ohne den niedrigen Gegendruck des Seriensystems zu erhöhen und natürlich unter Einhaltung aller Bauraumanforderungen. Dies wurde durch die Verwendung eines bauraumkon-formen kleinen Vorschalldämpfers sowie den Ersatz der Nachschalldämpfer durch Aktoren erreicht, ❹. Insgesamt konnte dadurch das Schalldämpfervolumen um etwa 14 l, zirka 36 %, reduziert werden, während Gegendruck und Gesamtmasse etwa auf Serienniveau liegen.

Die akustischen Ergebnisse sind in ❺ und ❻ dargestellt und wurden auf einem Rollenprüfstand unter voller Last in einer Entfernung von 0,5 m unter einem Winkel von 45° von der Abgasmündung gemes-sen. Mit abgeschaltetem Aktiv-System ent-steht ein um zirka 5 dB(A) höherer Gesamt-pegel als mit dem Serienschalldämpfer. Werden die aktiven Schalldämpfer jedoch eingeschaltet, so ergibt sich eine signifi-kante Minderung von 2 bis 8 dB(A), die in fast dem gesamten Drehzahlbereich zu

SeRieNaNlage aKTiVeS SYSTem

VOlUmeN DeS miTTelSChallDÄmPFeRS 12,4 l 12,4 l + 3,0 l = 15,4 l

VOlUmeN DeS NaChSChallDÄmPFeRS 2 x 13,5 l = 27,0 l 2 x 5,0 l = 10,0 l

gegeNDRUCK NaCh KaTalYSaTOR 50 mbar 40 mbar

maSSe DeS geSamTeN SYSTemS 22 kg 23 kg

❸ Daten der Schalldämpferanlage des 2,0-l-Vierzylinder-ottomotors

❷ Integration des Aktors in die Abgasanlage am Endrohr

❺ Gesamt-Schalldruckpegel an der Mündung des Vierzylinder-ottomotors

---

1000 2000 3000 4000 5000 6000

Drehzahl [1/min]

100

110

Schalldruckpegel [dB(A)] 2. Ordnung

Production system

ANC off

ANC on

❻ Schalldruckpegel der 2. Motorordnung an der Mündung des Vierzylinder-ottomotors

1000 2000 3000 4000 5000 6000

Drehzahl [1/min]

100

110

Schalldruckpegel [dB(A)] 2. Ordnung

- Serie

- ANC off

- ANC on

❹ Abgasanlage mit Aktiv-Schalldämpfern

TiTelThema AKuStIK

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einem etwas geringeren Gesamtpegel führt als mit den Serienschalldämpfern. In ⑥ ist der Effekt an der 2. MO noch deutlicher zu erkennen. Hier beginnt die aktive Min-derung bei etwa 1200/min (40 Hz) und beträgt im Maximum fast 20 dB(A), so dass ein leichtes Brummen der Serienan-lage nicht mehr wahrnehmbar ist.

UNTeRSUChUNg miT eiNem SeChSZYliNDeR-DieSelmOTOR

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

3,0-l-Sechszylinder-Dieselmotor mit Turbo-aufladung (170 kW Leistung; 450 Nm Drehmoment) mit einer zweiflutigen Schalldämpferanlage entwickelt. Die we-sentlichen Daten der Schalldämpferanlage sind in ❼ aufgelistet.

In der Serien-Abgasanlage befand sich ein Diesel-Partikelfilter (DPF), jedoch kein Mittelschalldämpfer. Die zweiflutige Serien-Schalldämpferanlage wurde durch eine ein-flutige aktive Schalldämpferanlage mit nur einem Aktor ersetzt, ❽. Dadurch reduziert sich das verbaute Schalldämpfervolumen drastisch um 22 l, zirka 80 %. Darüberhi-

naus konnte hier auch der im Auslasstrich-ter des DPF gemessene Gegendruck um zirka 135 mbar und damit wesentlich ver-ringert werden. Nicht zuletzt wiegt das aktive System selbst unter Beachtung von Kabeln und Steuerung zirka 9 kg weniger als das Seriensystem. Dabei wurden wei-tere Einsparungen durch den möglichen Entfall von Hitzeschutzblech und Abgas-aufhängungen noch nicht berücksichtigt. Selbstverständlich war diese wesentliche Gewichtsreduzierung nur möglich, weil auf ein sichtbares Endrohr bewusst ver-zichtet wurde, was möglicherweise negative Auswirkungen auf das optische Erschei-nungsbild hat. Jedoch sollte in dieser Stu-die lediglich das Leichtbaupotenzial unter-sucht werden, ohne die wesentlichen an-deren Funktionen wie Gegendruck und Akustik zu sehr einzuschränken.

Die akustischen Ergebnisse sind in ❾ und ❿ dargestellt und wurden in der glei-

❽ Abgasanlage für einen Sechs- zylinder-Dieselmotor (links: Serienanlage; rechts: aktives System)

SeRieNaNlage aKTiVeS SYSTem

VOlUmeN DeS NaChSChallDÄmPFeRS 2 x 13,5 l = 27,0 l 5,0 l

gegeNDRUCK NaCh DPF 205 mbar 70 mbar

maSSe DeS geSamTeN SYSTemS 19 kg 10 kg

❼ Daten der Schalldämpferanlage des 3,0-l-Sechszylinder-Dieselmotors

❾ Gesamt-Schalldruckpegel an der Mündung des Sechszylinder-Dieselmotors

1000 2000 3000 4000

Drehzahl [1/min]

100

- Serie

- ANC off

- ANC on

Schalldruckpegel [dB(A)] Gesamtpegel

❿ Schalldruckpegel der 3. Motorordnung

-- ANC off

- ANC on

Serie

Drehzahl [1/min]

1000 2000 3000 4000

100

Schalldruckpegel [dB(A)] 3. Ordnung

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chen Weise am Rollenprüfstand gemessen wie in der ersten Fallstudie. Allerdings dominiert hier, durchaus typisch für moderne Dieselmotoren mit DPF, weitest-gehend das Strömungsgeräusch den A-bewerteten Gesamtpegel. Der Gesamtpegel des aktiven Systems liegt nur wenige dB über der Serie und wird mit dem Einschal-ten nur geringfügig abgesenkt, erreicht dadurch aber in etwa das Niveau der Serie. Auch hier ist der Effekt der aktiven Schall-minderung bei Betrachtung der Zündfre-quenz (3. MO) in ⑩ deutlicher zu erken-nen. Je nach Drehzahlbereich werden zwi-schen 5 und 15 dB(A) Pegelreduzierung gemessen. Damit liegt der Pegel des akti-ven Systems zwar noch immer über dem des Serienstands. Jedoch reicht dieser aus, um die Ziele des entsprechenden Automo-bilherstellers zu erfüllen und einen in die-ser Fahrzeugklasse angemessen Komfort sicherzustellen. Darüber hinaus führte der Mündungspegel der 3. MO nicht zu einem merkbaren Anstieg des Pegels dieser MO im Innenraum des Fahrzeugs.

Neben der reinen Schallminderung er-lauben aktive Schalldämpfer ebenso eine

recht freie Soundgestaltung durch Anhe-bung einzelner oder mehrerer MO nicht nur in Abhängigkeit der Drehzahl und Motorlast, sondern fast beliebiger anderer Parameter wie der Fahrzeuggeschwindig-keit oder der Fahrstufe. Außerdem wird es möglich, während der Fahrt zwischen mehreren Sound-Datenständen (beispiels-weise Komfort oder Sport) automatisch oder auf Fahrerwunsch umzuschalten. Um den Effekt zu visualisieren, wurde für das betrachtete Fahrzeug mit Sechszylinder-Dieselmotor eine zweiflutige aktive Abgas-anlage aufgebaut und das ANC-Steuergerät mit unterschiedlichen Sounds bedatet. ⓫ zeigt die unter Volllast gemessenen Mün-dungspegel. Während in der Serienanlage fast keine MO sichtbar sind, kann man bei der aktiven Schalldämpferanlage im ausge-schalteten Zustand einige MO erahnen, jedoch keinesfalls auf einem sportiven Niveau. Dagegen werden mit dem akti-vierten System und den beiden Beda-tungen Sound 1 und Sound 2 ausgeprägt unterschiedliche, sportliche Soundeindrü-cke hervorgerufen. Diese Impressionen sind nicht nur im Außengeräusch, sondern

auch im Inneren des Fahrzeugs auf allen Sitzen präsent. Erwähnt werden soll letzt-lich, dass der A-bewertete Gesamtpegel trotz der höheren MO noch auf einem Pegelniveau liegt, der den in Europa gül-tigen gesetzlichen Bestimmungen der be-schleunigten Vorbeifahrt genügt.

beTRaChTUNg DeR DaUeRhalTbaRKeiT

Selbstverständlich muss die Dauerhalt-barkeit eines aktiven Schalldämpfersys-tems wie für jede andere Fahrzeugkom-ponente gewährleistet werden. Daher wurden von Eberspächer erhebliche Anstrengungen in der Entwicklung unter-nommen und zahlreiche Versuche an einzelnen Komponenten wie auch an ganzen Fahrzeugen durchgeführt. Ver-glichen mit den üblichen Applikationen von elektro-magnetischen Lautsprechern in der Automobilindustrie, stellt der Ein-satzort in einer Abgasanlage eine beson-dere Herausforderung dar. Die Dauer-haltbarkeit wird hierbei besonders von folgenden Faktoren beeinflusst:

⓫ Campbell-Diagramme des Gesamt-Schalldruckpegels an der Mündung des Sechszylinder-Dieselmotors

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Schwingungsbelastung durch Straßen- und MotoranregungExposition von aggressiven chemischen Substanzen in gasförmiger und flüssiger Form (Kondensat)thermische Belastung und Wechselbe-lastung durch das Abgas.

Die mechanische Haltbarkeit wurde über eine sorgfältige CAD-Konstruktion erreicht, die von in der Abgastechnik üblichen FE-Simulationen, speziellen thermo-mecha-nischen Analysen sowie Modal-Analysen von Lautsprecher, Aktor und des gesamten Abgassystems unterstützt wurde. Die che-mische Beständigkeit des Lautsprechers wurde nur durch Verwendung innovativer Materialien und Beschichtungen aller Kom-ponenten möglich gemacht, die mit dem Abgas in Kontakt gelangen (Membran, Sicke, Klebungen). Eine der kritischsten Herausforderungen bestand jedoch in der Sicherstellung der thermischen Beständig-keit gegen das heiße Abgas sowie die Ab-leitung der in der Schwingspule erzeugten Wärme. Eine nähere Untersuchung der Be-lastungssituation ergab allerdings, dass die höchste thermische Belastung nur wäh-rend längerer Fahrt mit höchster Last und Drehzahl auftritt; eine Situation, die ty-pisch für Fahrten mit sehr hoher Geschwin-digkeit von mehr als 200 km/h ist. In die-sem Fahrzustand dient der Kühleffekt der Unterbodenströmung dazu, das Abgassys-tem, den Aktor und insbesondere das Ver-bindungsrohr vom Abgassystem zum Aktor effektiv zu kühlen. Ferner wurde die Wider-standsfähigkeit des Lautsprechers gegen Übertemperatur bis auf 150 °C gesteigert, was letztlich ein robustes Design ermög-licht, mit dem selbst mehrere Stunden un-unterbrochene Hochgeschwindigkeitsfahrt möglich werden. Neben solchen Extrem-situationen ist es selbstverständlich nötig,

die Dauerhaltbarkeit für typische Fahrpro-file eines bestimmten Fahrzeugs mit seiner speziellen Motorisierung zu garantieren. Dazu wurde die Temperaturverteilung am Lautsprecher während eines Fahrzeugdau-erlaufs (> 50 000 km) aufgezeichnet, ⓬. Die Messung am Testfahrzeug mit Sechs-zylinder-Dieselmotor deckt dabei eine Viel-zahl von relevanten Fahrsituationen, das heißt Leerlauf, Stop-and-Go, Überland-fahrt, volle Beschleunigung, Schubbetrieb und Hochgeschwindigkeitsfahrt in mittel-europäischem Klima ab. Dabei zeigt sich deutlich, dass die Temperatur am Lautspre-cher die meiste Zeit unter 100 °C verharrt. Sehr hohe Temperaturen über 140 °C kom-men extrem selten (< 1 %) vor und die kritische Temperatur von 150 °C wird fast nie erreicht. Zusätzlich zu einigen speziell durchgeführten Fahrzeugdauerläufen wur-den inzwischen zahlreiche Fahrzeuge des Eberspächer-Fuhrparks mit aktiven Syste-men ausgestattet und werden im Alltags-betrieb erprobt.

ZUSammeNFaSSUNg

Die grundsätzliche Machbarkeit von ak-tiven Schalldämpfern unter den harten Bedingungen von Pkw-Abgasanlagen wurde in den dargestellten Studien nach-gewiesen. Diverse funktionale Vorteile wie verbesserte Akustik, geringeres Volumen und reduzierter Gegendruck konnten ge-zeigt werden. Daneben wurde die Halt-barkeit des Aktors sorgfältig weiterentwi-ckelt, so dass eine Serienentwicklung in-klusive einer Industrialisierung begonnen werden kann. Weitere Arbeiten konzent-rieren sich nun auf die Reduzierung der Kosten des Gesamtsystems, da sich diese Technik im automobilen Massenmarkt nur dann durchsetzen wird, wenn es gelingt,

die Aufwendungen für zusätzliche Kom-ponenten wie Lautsprecher und elektro-nische Hardware und Software durch hö-here Gesamteffizienz oder zusätzlichen Kundennutzen zu kompensieren. Es scheint aber, dass die gewonnene Freiheit im Sound-design ebenso attraktiv für einige Auto-mobilhersteller ist, wie die Gewichtsredu-zierung. Der Leichtbauaspekt offenbart sich besonders dann, wenn man bereit ist, Fahrzeugarchitektur und Schalldämpfer-anlagen optimal aufeinander abzustimmen und sie möglicherweise kompromissloser an ihren eigentlichen funktionalen Aufga-ben auszurichten. Vor diesem Hintergrund ergeben sich mögliche Anwendungen je nach der hauptsächlichen Motivation für:

Dieselmotoren in sportlichen Fahr-zeugen (Sound)hubraumreduzierte, hoch aufgeladene Motoren mit weniger Zylindern (Pegel-minderung und Sound)V6- und V8-Motoren mit Zylinderdeak-tivierung (Pegelminderung und Sound)kleine Verbrennungsmotoren als Range Extender für Elektrofahrzeuge (Gewicht/Bauraum)konsequente Integration des kom-pletten Abgassystems in den Motor-raum (Gewicht/Bauraum).

liTeRaTURhiNWeiSe[1] Jay, M. A.; Köhler, F.: Active noise Control für Kraftfahrzeuge. In „Sound-Engineering“ von Quang-Hue Vo. Expert-Verlag ISBn 3-8169-1177-3, renningen-Malmsheim (1994)[2] Boonen, r.; Sas, P.: Development of an active exhaust silencer for internal combustion engines using feedback control. SAE 1999-107[3] Heil, B.; Enderle, Ch.; Bachschmid, G.; Sartorius, C.; Ermer, H.; unbehaun, M.; Zintel, G.: Variable Gestaltung des Abgasmündungsgeräusches am Beispiel eines V6-Motors. In: MtZ 2001, nr. 10[4] Garabedian, C.; Zintel, G.: Active noise Control: Dream or reality for Passenger Cars. SAE 2001-01-0003[5] rossi, F.: Active noise Control technique to Improve Engine Efficiency, Proceedings of “Energy and Environment“. (2002) Italy[6] Krüger, J.; Castor, F.; Jebasinski, r.: Active Exhaust Silencers – Current Perspectives and Challenges. SAE 2007-01-2204[7] Krüger, J.; nicolai, M.; Jebasinski, r.: Bau-raum- und Leichtbauoptimierung von Abgasanlagen mit aktiven Komponenten. 18. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik 2009

⓬ Häufigkeitsverteilung der temperatur am linken (grau) und am rechten (grün) Lautsprecher während eines Fahrzeugdauerlaufs

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

Häufigkeits-verteilung derTemperaturam Laut-sprecher [%]

Temperatur [°C]

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