Die Entwicklung bei alternativen Antrieben schreitet weiter voran. Da der Verbrennungsmotor aber noch einige Zeit Basisantrieb für individuelle Mobilität bleibt, wird auch er parallel weiter optimiert. Der Blick der Ingenieure richtet sich darauf, Verluste weiter zu senken und auf diese Weise den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren. Deshalb ist es sinnvoll, neue Wege auch in der Entwicklung von Luftansaugsystemen zu suchen und dabei unterschiedliche Anforderungen in Einklang zu bringen. Es geht hierbei in erster Linie darum, den Zielkonflikt zwischen Druckverlust, Bauraum und Ansaugmündungsgeräusch aufzulösen.

Moderne Motorkonzepte, etwa kraftstoffsparende 4-Zylinder-Motoren mit Aufladung, haben den gleichen Bedarf an Verbrennungsluft wie Saugmotoren mit sechs Zylindern. Das heißt, der Luftmassenstrom wird größer. Das bedingt größere Querschnitte der Ansaugrohre, um den Druckverlust niedrig zu halten. Vergrößerte Querschnitte erhöhen jedoch gleichzeitig das Ansaugmündungsgeräusch, das sich nur mit verhältnismäßig großvolumigen Resonatoren wieder eindämmen lässt. Zusätzlicher Bauraum für diese Resonatoren bei Motoren mit Downsize-Konzept und Start-Stopp-Automatik steht aber kaum zur Verfügung.

Hier setzt ein Akustikfilter (Mündungsklappe) von Mann+Hummel an. Um die Zusammenhänge zu verstehen, sollte man die Aufgaben eines Ansaugsystems betrachten. Neben der Luftführung zum Verbrennungsmotor gehört dazu die Abscheidung von Flüssigkeiten, Schmutz- und Staubpartikeln, um einen Verschleiß des Motors zu vermeiden und den Schall, der durch den oszillierenden Betrieb des Hubkolbenmotors entsteht, zu verringern. Da Lärm gesundheitsschädlich ist, sind Maßnahmen zur Geräuschminderung erforderlich.

Durchflusswiderstand muss gesenkt werden

Ein erhöhter Druckverlust – infolge von umgelenkter Luft, Luftwiderstand des Filterelements und der Querschnittsprünge, die zur Schallminimierung notwendig sind – senkt den Wirkungsgrad des Motors. Deshalb arbeiten Ingenieure an Lösungen, die für bessere Leistung den Durchflusswiderstand senken, das heißt, die Rohrquerschnitte vergrößern und gleichzeitig auf großvolumige, zusätzlich notwendige akustische Maßnahmen verzichten. Diese Zusatzmaßnahmen in Form von Helmholtzresonatoren benötigen je nach Frequenzbereich unterschiedlich große Bauräume. Für tieffrequentes Brummen zwischen 50 und 100 Hz sind große Resonatorvolumen zwischen 2 und 5 l notwendig, um ein angenehmes akustisches Klangbild zu erzielen. Der dafür belegte Bauraum wird häufig für andere Motorkomponenten benötigt und macht neue, platzsparendere Konzepte erforderlich. Gleichzeitig steigen die Anforderungen hinsichtlich geringeren Druckverlusts, um die gesteigerte Motorleistung mit dem nötigen Luftmassenstrom zu versorgen. Dadurch erhöhen sich die Durchmesser der Leitungen, wodurch die dämpfende Wirkung eines Querschnittsprungs im Luftfilter abnimmt. Kleinere Durchmesser, besonders an der Ansaugmündung, führen zu einem niedrigeren Mündungsschallpegel, während der Druckverlust infolge höherer Strömungsgeschwindigkeit stark zunimmt. Die zwei konträren Entwicklungsziele sind damit Ansaugmündungsgeräusch und Druckverlust. Dieser Zielkonflikt prägt die Entwicklung von Ansaugsystemen.

Messungen an selbstansaugenden Motoren haben gezeigt, dass das Geräusch kontinuierlich mit der Drehzahl ansteigt. Der proportionale Zusammenhang zwischen Volumenstrom und Drehzahl führt bei gleichem zulässigem Druckverlust für niedrigere Drehzahlen zu einem deutlich kleineren Rohrdurchmesser. Aus diesem Zusammenhang resultiert die Idee der Entwickler, den Rohrdurchmesser variabel auszuführen. Denn bei niedrigen Drehzahlen reicht schon ein kleiner Durchmesser aus, um den Zielwert des Ansaugmündungsgeräuschs zu erreichen, während mit steigender Drehzahl ein veränderlicher Durchmesser bei maximalem Volumenstrom den Druckverlust in Grenzen hält. Die Auflösung des beschriebenen Zielkonflikts führt damit zu einem variablen Querschnitt, der mit Hilfe einer Klappe kontinuierlich verändert werden kann.

Die Ingenieure suchten nach einer Lösung ohne Schrittmotor, um Verschleiß und Kosten gering zu halten und gleichzeitig die Zuverlässigkeit zu verbessern. Der Fokus lag auf einer selbstregelnden Klappe, die geschickt den Druckunterschied vor und hinter der Klappe nutzt. Bei der Konstruktion der Mündungsklappe setzen die Ingenieure auf eine zweiflutige Rohrleitung. Dabei unterteilt eine Wand das normalerweise aus einem Strang bestehende Luftansaugrohr in zwei Ansaugkanäle. Einer dieser Kanäle ist ständig offen und versorgt den Motor mit einer Mindestmenge an Luft. Im zweiten Kanal reguliert die Mündungsklappe die Luftmenge: Benötigt der Motor bei niedriger Drehzahl nur wenig Luft, so ist die Klappe geschlossen, denn der erste (offene) Kanal versorgt den Motor ausreichend. Steigt die Motordrehzahl – beispielsweise beim Beschleunigen – so baut sich vor und hinter der Klappe ein Druckunterschied auf, der die Klappe zunehmend öffnet. Somit gelangt auch über den zweiten Kanal Luft zum Motor. Bei maximaler Drehzahl ist die Mündungsklappe vollständig offen – die Luft strömt ungehindert in die Zylinder.

Trennwand übernimmt Funktion einer Leitrippe

Die Lage der Trennwand bestimmt die Größe der beiden Rohrabschnitte für den maximalen Volumenstrom. Die Trennwand übernimmt zusätzlich die Funktion einer Leitrippe und kann aufgrund dessen mittels Strömungssimulation optimiert werden. Die erste Konzeptfestlegung erfolgt zuvor vom Konstrukteur, der mit den bekannten Formeln für die Druckverlustberechnung eine erste Festlegung trifft. Der zulässige Druckverlust darf auch bei den niederen Drehzahlen nicht überschritten werden. Der Gewinn für die Akustik zeigt sich in einer Verschiebung der ersten Resonanzfrequenz des Ansaugsystems hin zu niederen Frequenzen. Da der zweite Kanal der Mündungsklappe möglichst lange geschlossen ist und immer nur so viel Luft wie nötig zum Motor führt, bleibt auch das Ansaugmündungsgeräusch durch den geringeren Querschnitt im Ansaugsystem am unteren Niveau. Gegenüber einem vergleichbaren Seriensystem wird, vor allem im niedrigen Drehzahlbereich, der Schallpegel mittels Mündungsklappe sogar gesenkt, ohne dass großvolumige Resonatoren verwendet werden müssen. Das haben die Ingenieure am Rollenprüfstand nachgemessen. Die Entwicklung spart zudem 2,5 l Bauvolumen ein und schafft dadurch mehr Platz im Motorraum. Die Mündungsklappe ist damit ein Ausweg, um kritische Bauraumsituationen zu entschärfen.

Bei zukünftigen hybriden Antriebskonzepten könnte diese Lösung ebenfalls eine wichtige Rolle spielen, beispielsweise wenn in Hybridfahrzeugen ein kleiner Verbrennungsmotor als Range Extender arbeitet, der bei Bedarf zugeschaltet wird. Dieses Zuschalten soll vom Fahrer nicht als störend empfunden werden und muss zum reduzierten Gesamtgeräusch passen. Auch hier kann die Mündungsklappe als Akustikfilter den Mündungsschallpegel reduzieren.

Mann+Hummel, Telefon: 07141 98-2765

E-Mail: matthias.alex@mann-hummel.com

Die Autoren Matthias Alex und Thomas Jessberger sind Mitarbeiter der Mann+Hummel GmbH, Ludwigsburg