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Schall und Rauch: So funktioniert ein Schalldämpfer

Von außen betrachtet gleicht er einer blechernen Kiste, sein technisches Innenleben offenbart aber gleich mehrere Funktionen.

Ein Knall wie ein Donnerschlag entsteht, zündet das Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Brennkammern eines Motors. Begleitet von extremem Beben und heftigen Vibrationen schießen die heißen Gase mit Überschallgeschwindigkeit in den Abgastrakt.
Direkt am Motor ist der Abgaskrümmer verschraubt. Geprägte Metalldichtungen oder beschichtete Gewebedichtungen sorgen dafür, dass nicht ein Teil der Abgase direkt ins Freie entweicht. Die Form des Krümmers hängt von Zylinderzahl, Zündfolge und Bauweise des Motors ab.

Schalldämpfung und Abgasnachbehandlung

Nachdem die Abgase die Schnittstelle zum Turbolader passiert haben, strömen sie durch ein Rohr in Richtung Abgasschalldämpfer. Von außen betrachtet sieht er nach nicht viel mehr als einer Blechkiste aus, seine Funktionen sind dafür umso vielfältiger. Als letztes Glied in der Abgaskette mindert der Dämpfer die übertragenen Schallwellen, reduziert die bei der Verbrennung entstehenden Druckstöße und baut Wärme ab.

Mit Einführung der Abgasgesetzgebung vor rund zwei Jahrzehnten ist eine wichtige Aufgabe hinzugekommen: Das Schalldämpfergehäuse enthält seitdem die zur Abgasnachbehandlung notwendigen Komponenten.

Das Abgasgeräusch geht hauptsächlich auf den pulsierenden Gas­ausstoß aus den Zylindern zurück.Um rund 50 Dezibel muss der Schalldämpfer das Geräusch bis zum Endrohr mindern. Das entspricht einer Reduzierung des Schalldrucks um das 300-Fache.

Schalldämpfer kann die Leistung beeinflussen

Dabei ist die Auslegung von Rohrleitungen und Schalldämpfer enorm verzwickt: Obwohl der Abgasschalldämpfer am Ende der Abgaskette positioniert ist – im Lkw sitzt der in der Regel hinter der Vorderachse –, kann er durchaus die Motorleistung beeinflussen.

Setzt der Schalldämpfer dem Abgasstrom einen zu hohen Druck entgegen, können unter anderem Rückstaueffekte die Motorleistung herabsetzen. Die gesamte Abgasstrecke zwischen Krümmer und Endtopf stellt ein akustisches System dar. Volumen und Anpassung des Schalldämpfers spielen allein aus diesem Grund eine entscheidende Rolle. Fahrzeug- und Abgasanlagenhersteller nutzen dabei aufwendige Akustikprüfstände.

Die Dämpfung der Abgasgeräusche beruht im Wesentlichen auf den physikalischen Prinzipien der Reflexion und Absorption. Meist kommen in einem Dämpfer beide Konzepte in Kombination zum Einsatz. Das Reflexions-Prinzip zeigt sich in Form mehrerer durch Rohre verbundener Kammern, zwischen deren Wänden der Schall reflektiert. Dabei tritt ein Effekt ein, den die Akustiker mit "Mittelung der Schallamplitude" umschreiben. Damit gemeint ist, dass sich die Schalldruckspitzen reduzieren.

Schallwellen löschen sich aus

Durch die Umlenkung des Schalls durch die Rohre und Kammern entstehen vor- und rücklaufende Wellen, die sich beim Zusammentreffen nach verschieden langen Wegen aufgrund von Interferenz durch phasenverschobene Überlagerung teilweise auslöschen. Ein weiterer Teil der Schallwellen reflektiert bereits an der Verbreiterung des Rohrquerschnitts beim Eintritt in den Schalldämpfer zurück in Richtung Motor.

Am Ausgang des Schalldämpfers wird noch einmal ein Teil des Schalls zurückgeworfen. Das Gros der Schallwellen bleibt so im Schalldämpfer, während die Abgase nahezu ungehindert durch die Komponenten der Abgasnachbehandlung strömen können. Mit dem Reflexions-Prinzip lassen sich insbesondere niedere Frequenzen unter 500 Hertz tilgen.

Stahlwolle schluckt unerwünschte Geräusche

Hingegen setzt das Absorptions-Prinzip Dämmmaterial vor­aus, das aus Stahlwolle oder Basaltfasern besteht. Das Abgasrohr ragt gerade durch die Außenwand in den Schalldämpfer. Im Innern ändert es seinen Querschnitt und ist gelocht. Dadurch weitet und verlangsamt sich der Abgasstrom. Ebenso schwächen sich seine Schwingungen ab. Die lärmdämmenden Eigenschaften gehen auf die Tatsache zurück, dass Schall­energie von verschiedenen Faserfüllmaterialien absorbiert wird.

Vereinfacht erklärt: Wenn Schallwellen die Lücken zwischen den eng gepackten Fasern des absorbierenden Materials mit geringem Durchmesser passieren, verflüchtigt sich die Schallenergie aufgrund der Reibung in kleinen Wärmemengen. Wie effektiv diese Art der Schalldämpfung ist, hängt einerseits von der Dichte des Dämmmaterials sowie seinem Schallaufnahmegrad und andererseits vom Volumen der Kammer ab.

Absorptions-Schalldämpfung arbeitet effektiv bei hohen Frequenzen zwischen 500 und 8.000 Hertz. Über oder unter dieser Spanne nimmt die Schallabschwächung progressiv ab. Die Dämmung der Schallwellen geht allein auf das Packmaterial zurück. Interne Blenden, Rohre oder andere restriktive Bauteile zur Schallabsorption sind nicht notwendig. Der dadurch mögliche Direktdurchfluss  beeinträchtigt den Luftstrom nur geringfügig und hält somit auch den Gegendruck der Abgasanlage niedrig.

Aktive Dämpfung mit Schall und Antischall

Im Pkw dienen sie dazu, den Motorsound zu formen, im Nutzfahrzeug sind sie reines Mittel zur Geräuschreduzierung: In den Abgasstrang integrierte Lautsprecher arbeiten nach dem Prinzip "Schall und Antischall". Sie strahlen ein exaktes Gegenbild von lärmerzeugenden Frequenzen ab und heben diese durch Überlagerung auf. An einer entsprechenden Schalldämpfung arbeitet der Komponentenzulieferer Eberspächer. Das System Active-Silence soll das Abgasgeräusch eines Mercedes Atego mit Sechszylindermotor je nach Betriebszustand um bis zu zehn Dezibel verringern, das entspricht etwa einer Halbierung der Lautstärke. Das Gewicht der Abgasanlage soll sich dadurch halbieren und der Gegendruck um bis zu 25 Prozent verringern. Gespeist wird der jeweilige Lautsprecher von einem Steuergerät mit integriertem Verstärker. Ein Regelalgorithmus bestimmt Timing und Stärke des Antischall-Signals. Active-Silence kann laut Hersteller an verschiedene Motorplattformen angepasst werden. Das System, das Eberspächer am Mercedes Atego erprobt, wiegt 29 Kilogramm und besitzt ein Volumen von 85 Litern. Es ersetzt dort den Serien-Schalldämpfer mit 58 Kilo und 95 Liter Volumen.

Andreas Wolf lastauto omnibus

Autor

Foto

Eberspächer

Datum

8. Juli 2014
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Prof. Dr.-Ing. Heinz-Leo Dudek, Experte für Telematik Heinz-Leo Dudek Telematik
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