Computational assessment of combustion noise of automotive compression-ignited engines

Abstract

Las crecientes exigencias de la industria están cambiando la forma en que entendemos la sociedad y el entorno en el que vivimos. Frente a la necesidad de un comercio rápido y globalizado, están emergiendo varios problemas de sostenibilidad. Por una parte, ciertos sectores resultan favorecidos, como es el caso del transporte y su radical incremento de actividades. Por otra parte, esto causa un impacto negativo considerable en los ecosistemas terrestres. En este marco, los efectos negativos de la contaminación ambiental y sonora están llegando a límites realmente preocupantes, siendo estos especialmente visibles en los principales núcleos urbanos, donde las autoridades están incluso restringiendo la circulación de los vehículos térmicos. Particularmente, el ruido producido por la quema del combustible en vehículos propulsados por motores de combustión interna alternativos, siendo una de las principales fuente acústicas por delante de otras como la aviación o el ferrocarril, está siendo objeto de recientes estudios para reducir sus efectos perjudiciales en la población. El objetivo principal de esta tesis se centra en el estudio y caracterización de la combustión como fuente de emisiones acústicas. Concretamente, esta investigación tiene como propósito dar respuesta a cuáles son los fenómenos físicos asociados a la generación del ruido en motores de encendido por compresión, así como proponer algunas directrices que ayuden a entender y mejorar -desde el punto de vista de emisiones acústicas y consumo- el diseño de los motores actuales. En una primera aproximación, se recurre a técnicas experimentales de medida para, con el registro de la presión instantánea dentro de la cámara de combustión, caracterizar el origen de las perturbaciones acústicas. A pesar de que la información aportada por estos métodos es relevante, existen limitaciones para recrear la espacialidad del campo acústico y, por tanto, dificultan la comprensión de los fenómenos no estacionarios asociados a este. Por esta razón, en posteriores estudios se recurre al uso de la dinámica de fluidos computacional o CFD, superando así las limitaciones de las técnicas experimentales y permitiendo una visualización completa del problema. Como paso previo e indispensable, se procede a implementar y validar del modelo CFD para asegurar una buena precisión en los resultados y un tiempo de cálculo razonable. La aplicación de métodos de análisis en frecuencia y descomposición modal han permitido estudiar el campo de presiones en el interior de la cámara y así entender mejor su comportamiento. De este modo, ha sido posible encontrar relaciones entre la combustión y la respuesta espectral del campo acústico interno. Los patrones de oscilación de la presión muestran que las estructuras más energéticas, y que por tanto contribuyen a la emisión acústica en mayor medida, están centradas en estructuras macroscópicas de tamaño similar a la geometría de la cámara. Además, se ha demostrado que la posición de la ignición del combustible tiene un efecto directo sobre la amplitud de los modos resonantes y su distribución espacial. Por último, en cuanto a la evaluación de estrategias para mitigar el ruido, se proponen distintos estudios en los que se analizan las tendencias en la emisión acústica al modificar la fuente sonora, mediante la configuración de la inyección y la geometría del sistema de combustión.

Les creixents exigències de la indústria estan canviant la forma en què entenem la societat i l'entorn en què vivim. Davant la necessitat d'un comerç ràpid i globalitzat estan sorgint diversos problemes de sostenibilitat que, per una part afavoreixen que sectors com el del transport incrementen les seues activitats de forma radical, però que per l'altra, causen un impacte negatiu en els ecosistemes terrestres. En aquest context, els efectes negatius de la contaminació ambiental i sonora estan arribant a límits realment preocupants, sent aquests especialment visibles als principals nuclis urbans on les autoritats estan inclús restringit la circulació dels vehicles tèrmics. Particularment, el soroll causat per la crema de combustible en vehicles propulsats per motors de combustió interna alternatius, sent una de les principals fonts acústiques per davant d'altres com l'aviació o el ferrocarril, està sent objecte de recents estudis per tal de reduir els efectes perjudicials en la població. L'objectiu principal d'aquesta tesi es centra en l'estudi i caracterització de la combustió com a font d'emissions acústiques. Concretament, aquesta investigació té com a propòsit donar resposta a quins són els fenòmens físics associats a la generació de soroll en motors d'encès per compressió, així com proposar algunes directrius que ajuden a entendre i millorar -des del punt de vista de les emissions acústiques i consum- el disseny dels motors actuals. En una primera aproximació, es recorre a tècniques experimentals de mesura per a, amb el registre de la pressió instantània en la cambra de combustió, caracteritzar l'origen de les pertorbacions acústiques. Tot i que la informació aportada per aquests mètodes és rellevant, existeixen limitacions per a reconstruir l'espacialitat del camp acústic i, per tant, dificulten la comprensió dels fenòmens no estacionaris associats a aquest. Per aquesta raó, en posteriors estudis es recorre a l'ús de la dinàmica de fluids computacional o CFD, superant així les limitacions de les tècniques experimentals i permetent una visualització completa del problema. Com a pas previ i indispensable, es procedeix a implementar i validar el model CFD per assegurar una bona precisió en els resultats i un temps de càlcul raonable. L'aplicació de mètodes d'anàlisi en freqüència i descomposició modal ha permès estudiar el camp de pressions en l'interior de la càmera i així entendre millor el seu comportament. D'aquesta forma, ha sigut possible trobar relacions entre la combustió i la resposta espectral del camp acústic intern. Els patrons d'oscil·lació de la pressió mostren que les estructures més energètiques, i que per tant contribueixen a l'emissió acústica en major mesura, estan centrades en estructures macroscòpiques de grandària similar a la geometria de la càmera. A més, s'ha demostrat que la posició de la ignició del combustible té un efecte directe sobre l'amplitud dels modes ressonants i la seua distribució espacial. Per últim, pel que fa a l'avaluació de diverses estratègies per a mitigar el soroll, es proposen distints estudis en què s'analitzen les tendències en l'emissió acústica en modificar la font sonora mitjançant la configuració de l'injector i la geometria del sistema de combustió.

The ever-increasing demands of industry are changing the way we understand society and the environment in which we live. In the face of the need for rapid and globalised trade, a number of sustainability issues are emerging which, on the one hand, encourage sectors such as transport to radically increase their activities, but, on the other hand, cause a negative impact on terrestrial ecosystems. In this context, the negative effects of environmental and noise pollution are reaching really worrying limits, these being especially visible in the main urban areas where the authorities are even restricting the circulation of vehicles powered with thermal engines. In particular, the noise produced by the fuel burning in vehicles powered by reciprocating internal combustion engines, being one of the main acoustic sources ahead of others such as aviation or railways, is being the focus of recent studies to reduce its harmful effects on the population. The main objective of this thesis focuses on the study and characterization of combustion as a source of noise emissions. Specifically, this research focuses on addressing the physical phenomena associated with noise generation in compression-ignited engines, as well as proposing some guidelines in order to better understand and improve -from the point of view of noise emissions and fuel consumption- the design of current engines. In a first approach, experimental techniques are used to characterise the source of the acoustic disturbances by recording the instantaneous pressure inside the combustion chamber. Although the information provided by these methods is relevant, there are some limitations to recreate the spatiality of the acoustic field and, therefore, make it difficult to understand the non-stationary phenomena associated with it. For this reason, in subsequent studies the Computational Fluid Dynamics or CFD approach is utilized, thereby overcoming the limitations of experimental techniques and allowing a complete visualization of the problem. As a preliminary and indispensable step, we proceed to implement and validate the CFD model to ensure a good accuracy in the results and a reasonable calculation time. The application of frequency analysis and modal decomposition methods has made it possible to study the pressure field inside the chamber and thus better understand its behaviour. In this way, it has been possible to find relationships between the combustion and the spectral response of the internal acoustic field. The pressure oscillation patterns show that the most energetic structures, and thus contributing the most to the acoustic emission, are centred on macroscopic structures of similar size to the chamber geometry. In addition, the ignition position of the fuel has been shown to have a direct effect on the amplitude of the resonant modes and their spatial distribution. Finally, regarding the evaluation of different strategies for mitigating noise, different studies are proposed in which the trends in noise emission are analysed by modifying the sound source through the injection configuration and the geometry of the combustion system.