Mazdas Diesel-Schwingungstilger

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Dieselmotoren haben ein Imageproblem, und das nicht erst seit dem Abgasbetrug durch Volkswagen. Außer ihren gasförmigen sind auch ihre akustischen Emissionen schwieriger in den Griff zu bekommen als die aus Ottomotoren. Beim Geräusch hat Mazda nun gezeigt, dass man eine nachträgliche Schallkapselung für Selbstzünder vereinfachen kann, wenn man direkt an der Emissionsquelle ansetzt. Hier eine Detailaufnahme dieser intelligenten Idee.

In den 1,5- und 2,2-Liter Dieselmotoren von Mazda werden je vier kleine, metallene Schwingungstilger eingebaut. Auf 3,4 kHz gestimmt mindern sie das dieseltypische Nagelgeräusch – eine Idee, die später Karriere in ganz neuartigen Verbrennungsmotoren machen könnte. Wie die Konstrukteure Yasunori Kanda und Tsunehiro Mori darauf gekommen sind und wie Ihr Trick mit der Gegenschwingung funktioniert haben sie in der Fachzeitschrift International Journal of Automotive Engineering (7/16) veröffentlicht.

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Mazdas Diesel-Schwingungstilger (8 Bilder)

Von sich reden gemacht hat das Prinzip wieder einmal vor einigen Jahren. Gegenschall ist wohl eins der nächsten großen Dinger im Bemühen, leisere Autos zu bauen. Diese quasi maßgeschneiderte Lösung gibt es erst, seit genügend schnelle Rechenleistung zur Verfügung steht, denn nur ihr möglichst exaktes Gegenbild kann die lärmerzeugenden Frequenzen im Auspuff durch Überlagerung aufheben. Wirkungsvoll, aber aufwendig. Ford setzt die Methode bereits im Mondeo Hybrid ein.

Anregung zur Auslöschung

Viel älter, nämlich schon fast so alt wie das Auto selbst, ist die Nutzung eines Teils der Anregungsenergie zur Auslöschung unerwünschten Lärms. In Auspuffanlagen entstehen durch die berechnete Umlenkung des Schalls in Rohren und Kammern definierter Größe vor- und zurücklaufende Wellen, die sich beim Zusammentreffen nach verschieden langen Wegen aufgrund von Interferenz durch phasenverschobene Überlagerung teilweise auslöschen. Dieses sogenannte Reflexionsprinzip ist allerdings lediglich teilweise wirksam und das auch nur bei Frequenzen um 500 Hz.

Eine völlig andere Schallquelle als die Druckwellen aus dem Auslass hat das eigentliche Verbrennungsgeräusch von Dieselmotoren, wegen seiner Charakteristik als „Nageln“ bezeichnet. Virulent wurde das Problem für Autokonstrukteure erst, seit Direkteinspritzer in Pkw einzogen. Sie sind zwar rund 15 Prozent effizienter als Wirbel- oder Vorkammermotoren, weil in ihnen der Verbrennungsablauf vergleichsweise schnell (und mit geringem Wärmeverlust) vonstatten geht. Doch führt diese hohe Geschwindigkeit in solchen Motoren zu einer ungleich stärkeren Ausprägung des berüchtigten Geräuschs. Eine schnell ablaufende Verbrennung wollte Diesel bereits erreichen, bevor sein Selbstzünder überhaupt das erste mal lief. Und als er es dann endlich tat, trug sie tatsächlich zur hohen Effizienz des neuen Motors bei, wenn auch weniger als erhofft. Schneller Druckaufbau ist aber immer noch ein Qualitätsmerkmal für so einen Motor – jedenfalls soweit möglich: Ein gewisses mehrphasiges Durchbrennen der Ladung lässt sich nicht verhindern, während eigentlich eine isentrope Entspannung stattfinden sollte.

Das ist ein Grund dafür, warum man in modernen Motoren durch multiple Einspritzungen lieber mehrere kleine druckerzeugende Verbrennungen auslöst. Ein anderer ist die Unterteilung eines einzelnen, kräftigen Knalls in weniger lästig empfundene Einzelereignisse. Wer genau hinhört, kann sie im Leerlauf als Schnarren wahrnehmen, das menschliche Gehör bietet die dazu nötige hohe Auflösungsfähigkeit.

In den vor rund 15 Jahren ausgestorbenen Kammermotoren ist die Problematik der schnellen Verbrennung behelfs- (aber nicht notbehelfsweise) geschickt umgangen worden. Die Wirbelkammer, die der Ingenieursdienstleister Ricardo 1931 entwickelte und die ältere, von L’Orange 1909 erfundene Vorkammer, auf die sich Daimler verlegte, boten die Möglichkeit, kleine, leichte Pkw-Dieselmotoren zu bauen. Die in den Nebenbrennräumen bei hoher Gasgeschwindigkeit ablaufende, langsamere und damit weichere Verbrennung bot außer der verringerten mechanischen Belastung und einem verringerten NOx- und Rußausstoß eine gute Geräuschkultur. Das galt bereits für die ersten serienmäßigen Pkw-Dieselmotoren, die von Peugeot und Daimler 1936 vorgestellt wurden und wohl nur wegen des Kriegs erst viel später größere Stückzahlen erreichten.

Ungestörtes Nageln

Um dem Geräusch mit seinem in verschiedensten Motoren typischen Maximum um 3,15 kHz auf die Spur zu kommen, haben die Ingenieure Yasunori Kanda und Tsunehiro Mori einen bereits bestehenden 2,2-Liter-Dieselmotor von Mazda erst einmal gründlich verkabelt. Der Kolben bekam zwei, das Pleuel drei Beschleunigungssensoren. Um das Nageln nicht zu stören, wurde die Voreinspritzung abgeschaltet. Am dadurch gewissermaßen unverfälscht verbrennenden Motor maßen die Experten bei 2000/min einen Schalldruckgipfel bei 3,5 kHz, nahe der erwarteten, typischen Frequenz. Mithilfe der Sensoren konnten sie zeigen, dass sich die Anregung vom Brennraum auch über den Kolben und das Pleuel in die Kurbelwelle und von da aus aufs Gehäuse fortpflanzt. Der Druckanstieg im Brennraum führt dabei zu Schwingungen der beweglichen Teile und des Gehäuses zwischen drei und vier kHz. Das Pleuel gerät dabei in eine Längsschwingung zwischen Kolben und Kurbelwelle, während die Ölschichten in den Lagern wie Dämpfer wirken. Damit konnten die Ingenieure von einem Feder-Masse-System ausgehen, in dem der Kolben die schwingende Masse und das Pleuel die Feder darstellt.

Dass das Geräusch in ganz verschieden großen Motoren immer fast gleich klingt, weil es sich im gleichen Frequenzbereich abspielt, führen die Autoren darauf zurück, dass die Massen der bewegten Teile immer in sehr ähnlichen Verhältnissen zueinander stehen. Sie nennen es „Pleuelfederkonstante“ und berechnen, dass eine Reduktion des Kolbengewichts um zehn Prozent den Pegel der Schallenergie nur um 0,4 dB reduzieren würde. Dem Phänomen mit stärker dämpfenden Materialien oder mehr Elastizität der Pleuel zu begegnen, halten die Ingenieure aus guten Gründen für unrealistisch.

Um das Geräusch einzudämmen, bietet sich also ein Federsystem an, das die angeregte Schwingung unterdrücken hilft. Wenn es gegenläufig zur im Kolben angeregten Frequenz arbeitet, löscht es die Schwingung nahe ihrer Quelle. Die Lösung fanden die Ingenieure in einem Schwingungsdämpfer, den sie sehr elegant dort unterbringen konnten, wo ohnehin Platz war – im Zentrum des Kolbens, im hohlen Kolbenbolzen.

Der zylindrische Schwingungstilger aus Metall besteht aus einem Zentrum, von dem symmetrisch zwei verjüngte Arme in beide Richtungen weisen und Gewichten an ihren beiden Enden. Man kann sich das Teil funktional wie eine auseinandergebogene Stimmgabel vorstellen. Der Teil, an der sie gehalten wird, entspricht dem Zentrum dieses Dämpfers.

Zur festen Verbindung zwischen Dämpferzentrum und Kolbenbolzen wird die Bolzenbohrung gestuft ausgeführt. Sie bekommt mittig einen Absatz, in den der zylindrische Dämpfer mit seiner mittleren Verdickung eingepresst festsitzt. Der stramme Sitz des Dämpfers ist entscheidend für die Kraftübertragung vom Kolben über den Bolzen in den Dämpfer (und retour vom Dämpfer über den Bolzen in den Kolben).

Gestimmt auf die Anregungsfrequenz

Durch Dimensionierung und Entfernung von Schwinggewichten und Auslegerarmen vom Zentrum wird der Dämpfer – wenig überraschend – auf die Frequenz von 3,5 kHz gestimmt. Aus Platz- und Montagegründen ist er kaum länger als der Kolbenbolzen und benötigt an den beiden schwingenden Enden etwas Luft zur Bolzenbohrung.

Insgesamt erreicht er im Experiment durch die beengten Einbaubedingungen kein größeres Gewicht als maximal 8,7 Prozent der Kolbengesamtmasse. Das ist offenbar weniger als das Optimum. Versuche mit einem 2,9 Prozent wiegenden Schwingungstilger haben jedenfalls gezeigt, dass die größere Dämpfermasse wirkungsvoller war. Da es aber vor allem um das Verhältnis der Massen zueinander geht, könnte man innerhalb gewisser Grenzen auch den Kolben erleichtern statt den Dämpfer schwerer zu machen, um den gleichen Effekt zu erreichen.

Gut möglich, dass solche Dämpfer auch in Verbrennungsmotoren eingebaut werden, die künftig die Vorteile von Otto- mit denen von Dieselmotoren vereinen sollen. Vielleicht sind sie gar ein Hinweis auf Mazdas Pläne. Man kann sich vorstellen (zugeben würde Mazda das wohl auch nicht), dass bereits die aktuellen Dieselmotoren von Mazda ohne Dämpfer prinzipiell etwas lauter nageln, denn sie bringen erstmals ein Element der homogenen Verbrennung („PCCI, premixed charge compression ignition“) in Serie: Um Kraftstoff und Luft die Chance zu geben, sich vor der Verbrennung stärker zu durchmischen, arbeiten sie mit niedriger Verdichtung und nehmen einen kontrollierten Zündverzug inkauf.

Kontrollierter Verzug

Dass jener die Verbrennung aber noch heftiger knallen lässt, ist ein bekanntes Phänomen, gut hörbar in kaltgestarteten Dieselmotoren. Maximilian Patrick Brauer schreibt zum Thema homogene Verbrennung „In Hinblick auf eine mögliche Anwendung in Diesel-Pkw ist das erhöhte Verbrennungsgeräusch … der größte Nachteil des Verfahrens“ (Maximilian Patrick Brauer, Schadstoffverhalten und Lastgrenze der vorgemischten Dieselverbrennung, Dissertation, Magdeburg 2010).

Das PCCI-Brennverfahren mit vorgemischter, homogener Ladung und Kompressionszündung ist bei Mazda bereits in der Pipeline. Spätestens, wenn es die Ingenieure mit weiter gesteigerten Anforderungen an den Umgang mit sehr plötzlichen und dadurch für den Hörer lästigen Schallereignissen bei der Verbrennung konfrontiert, könnten sie auf die Dämpfer zurückkommen. Denn in solchen Motoren dürften sie prinzipbedingt nicht mehr so intensiv mit Mehrfacheinspritzung tricksen können ohne die erhofften Effekte der PCCI zu stören. Vor diesem Hintergrund ist die Erfindung der Dämpfer also möglicherweise sogar Teil eines größeren Ganzen und ihr Einsatz im Dieselmotor nur eine Art Versuchslauf in der Serie. (fpi)