Abgasanlagen als Teil eines Fahrzeuges beeinflussen den akustischen Komfort sowohl innerhalb als auch außerhalb der Fahrgastzelle. Zusätzlich müssen gesetzliche Grenzwerte, wie die beschleunigte Vorbeifahrt, eingehalten werden. Wenngleich das Mündungsgeräusch die dominierende Schallquelle ist, wird zunehmend Lärm direkt über die metallischen Oberflächen abgestrahlt. Angeregt werden die Bauteile dabei sowohl durch gasdynamische Vorgänge als auch durch weitergeleitete Vibrationen des Motors und seiner Komponenten. Während der hintere Abgasanlagenbereich durch flexible Bauteile weitgehend schwingungsentkoppelt ist, dominieren Vibrationen im vorderen Abgasanlagenbereich die Schallabstrahlung. Der Anteil des über Oberflächen abgestrahlten Schalls am gesamten Geräusch steigt aus nachfolgenden Gründen an: - Abgasanlagen benötigen ein großes Volumen zur Dämpfung tieffrequenter Anteile des Mündungsgeräuschs. Die Bauteile einer Abgasanlage werden daher in den vorhandenen Bauraum des Fahrzeuges integriert. Seit ca. 10 Jahren steigt der Anteil von Schalen-Bauteilen auf aktuell ca. 60 % des Marktes in Europa, die den Unterboden von Fahrzeugen ausnutzen. Dadurch entstehen abgeflachte Flächen, die eine zwischen 20 und 100 dB erhöhte Schallleistung abstrahlen. - Im vorderen Abgasanlagenbereich werden zusätzlich dickwandige Gusskrümmer durch dünnwandige, gebaute Blechkrümmer ersetzt, die weniger thermische Energie aufnehmen und damit ein früheres Erreichen der Betriebstemperatur des Katalysators ermöglichen. Die Massendämmung wird allerdings reduziert um ca. 6 dB / Wandstärkenhalbierung, was teilweise durch andere geometrische Abmessungen und Materialien kompensiert wird. - Doppelwandige Bleche werden ersetzt. Vermieden werden dadurch Implosionen von Ziehöl-Resten zwischen den einzelnen Lagen, was während eines Schweißprozesses auftreten kann. Dadurch wird die akustische Dämpfung der Struktur reduziert. Der abgestrahlte Schall steigt damit im ungünstigsten Fall um 4-5 dB. - Die Verwendung von günstigen Turboladern mit weiten Toleranzbändern bringen zusätzlich zum Motor Vibrationen in die Abgasanlage. - Aber auch Änderungen an der innermotorischen Verbrennung, z. B. der Einsatz von Direkt-Einspritz-(DI)-Brennverfahren, führen zu erhöhter Vibrationsanregung. Dieser Artikel beschreibt die Anregung einer Abgasanlage, die Struktur als Übertragungspfad und die Schallanteile, die daraus entstehen. Es wird eine neue Berechnungs- und Messmethodik vorgestellt, die zur Zeit bei Tenneco in Zusammenarbeit u. a. mit General Motors verwendet und weiterentwickelt wird. Die Berechnungs-Methodik ermöglicht es dabei z. B. Wandstärken soweit zu senken, dass der akustische Komfort trotz reduziertem Gewicht gesichert bleibt.
As an integral part of the vehicle, exhaust systems influence the acoustical comfort both inside and outside the cabin. Additionally, law requirements, such as pass-by noise, have to be fulfilled. Although the tailpipe noise is the main source, noise radiation over metallic surfaces is also a serious issue. The components are excited by gas exchange cycles and also by vibrations from the engine and its aggregates. The rear part of the exhaust system, the so-called cold end, is decoupled from vibrations by flexible elements. The hot end, however, that means the front part including the converter up to the flexible element, is dominantly excited by vibration. The percentage of the radiated noise of surfaces on the overall noise increases due to following reasons. - Exhaust systems require large volumes to dampen deep-frequent tailpipe noise, so mufflers are integrated into the underbody of a car. In the past 10 years the use of shell components, which effectively use the restricted design space, has increased to currently nearly 60 % of the European market. This means flat surfaces are used, which can radiate an increase of 20 to 100 dB sound power. - In the front region of the exhaust system, cast manifolds with thick walls have been substituted by thin wall fabricated manifolds, which transfer less thermal energy and enable an earlier light-off of the converter. Mass damping is reduced by approximately 6 dB / wall thickness bisection, which is partially compensated by other materials and geometric dimensions. - Laminated shells have been substituted. This prevents implosions of the remains of the oil which is used in the manufacturing process. These implosions appear for example during welding processes. But, the acoustical damping of the structure is reduced. In the worst case noise radiation increases by 4-5 dB. - The use of low-priced turbo chargers with wide tolerances gives additional vibration impact into the exhaust line. - Changes also in the combustion process, e.g. the use of direct injection, leads to more vibration. This article describes the excitation, the structure as the transfer path and the noise radiation. Outlined as well are new calculation and new measurement methods, which are in use and under further development at Tenneco in cooperation for example with General Motors. The calculation method enables the reduction of wall thickness in such a way that acoustical comfort is ensured, while at the same time the weight is lowered.
Schallabstrahlung von Oberflächen im Bereich Abgasanlagen, Berechnungsmethodik und Messverfahren
Surface Radiated Noise of Exhaust Systems, CAE Method and Measurement Techniques
2007
18 Seiten, 18 Bilder, 11 Quellen
Aufsatz (Konferenz)
Deutsch
Schallabstrahlung von Abgasanlagen
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