Diseño de una metodología para la modelización acústica 3D mediante elementos finitos de dispositivos con monolito en sistemas de escape de vehículos. Aplicación a filtros de partículas diésel

Abstract

[ES] El presente Trabajo Fin de Máster se desarrolla en el campo de la acústica, concretamente en el centrado en la modelización de la propagación de ondas sonoras en el interior de los filtros de partículas, que en los últimos años se han desarrollado en el ámbito automovilístico ante el endurecimiento de las leyes reguladoras de las emisiones contaminantes, especialmente en los motores diésel. Pese a tener este enfoque fundamental en su diseño, estos también tienen una influencia no despreciable en el ruido emitido por los motores de combustión. Inicialmente se presentan los fundamentos acústicos básicos, tanto en conductos como en los monolitos de filtros de partículas. Posteriormente se detalla la modelización mediante elementos finitos, basada en un modelo que admite ondas tridimensionales en los conductos y propagación unidimensional en el monolito, esta última más aproximada a la realidad.

Para ello se desarrolla una metodología completa de modelización acústica 3D mediante el método de elementos finitos (MEF) en base al programa comercial Ansys, en sus versiones APDL y Workbench. Ello es posible ya que en las últimas versiones se han incorporado mejoras sustanciales en los módulos correspondientes al análisis acústico, proporcionando resultados satisfactorios. El doble enfoque presentado permite una adecuada validación de la metodología.

Para mostrar el potencial y versatilidad de la metodología desarrollada, se consideran diferentes tipos de geometrías como pueden ser rectangular, circular o triangular. También se estudiarán los efectos del descentrado del conducto de salida del filtro así como cuatro tipos distintos de monolito. Durante la vida útil del filtro se produce la deposición de hollín en este, haciendo necesaria su regeneración, analizando por lo tanto el efecto del hollín en el ruido emitido, especialmente en el parámetro conocido como índice de perdida de transmisión (TL). Por tanto, con las herramientas desarrolladas se lleva a cabo un estudio exhaustivo de la influencia en la atenuación acústica de parámetros de diseño y funcionamiento del filtro de partículas diésel.

[CA] El present Treball Final de Màster es desenvolupa en el camp de l' acústica, concretament en el centrat en la modelització de la propagació d' ones sonores en l'interior del filtres de partícules, que en els darrers anys s'han desenvolupat en l'ambit automobilístic davant l' enduriment de les lleis reguladores de les emissions contaminants, especialment en els motors dièsel. Malgrat tindre aquest enfocament fonamental en el seu disseny, aquests també tenen una influència no menyspreable en el soroll emés pels motors de combustió. Inicialment es presenten els fonaments acústics bàsics, tant en conductes com en els monòlits de filtres de partícules. Posteriorment es detalla la modelització mitjançant elements finits, basada en un model que admet ones tridimensionals en els conductes i propagació unidimensional en el monòlit, aquesta última més aproximada a la realitat. Per a això es desenvolupa una metodologia completa de modelització acústica 3D mitjançant el mètode d'elements finits (MEF) sobre la base del programa comercial Ansys, en les seues versions APDL i Workbench. Això és possible ja que en les últimes versions s'han incorporat millores substancials en els mòduls corresponents a l'anàlisi acústica, proporcionant resultats satisfactoris. El doble enfocament presentat permet una adequada validació de la metodologia. Per a mostrar el potencial i versatilitat de la metodologia desenvolupada, es consideren diferents tipus de geometries com poden ser rectangular, circular o triangular. També s'estudiaran els efectes del descentrat del conducte d'eixida del filtre així com quatre tipus diferents de monòlit. Durant la vida útil del filtre es produeix la deposició de sutge en aquest, fent necessària la seua regeneració, analitzant per tant l'efecte del sutge en el soroll emés, especialment en el paràmetre conegut com a índex de pèrdua de transmissió (TL). Per tant, amb les eines desenvolupades es du a terme un estudi exhaustiu de la influència en l'atenuació acústica de paràmetres de disseny i funcionament del filtre de partícules dièsel.

[EN] The present Master's Final Project is developed in the field of acoustics, specifically in the one centred on the modelling of sound wave propagation inside particulate filters, which in recent years has been developed in the automotive field in the face of the hardening of the laws regulating polluting emissions, especially in diesel engines. Despite this fundamental approach in their design, they also have a significant influence on the noise emitted by combustion engines. Initially the basic acoustic fundamentals are presented, both in ducts and in particulate filter monoliths. Subsequently, finite element modelling is detailed, based on a model that admits three-dimensional waves in the ducts and one-dimensional propagation in the monolith, the latter being closer to reality.

For this purpose, a complete 3D acoustic modelling methodology is developed using the finite element method (FEM) based on the commercial program Ansys, in its APDL and Workbench versions. This is possible because in the latest versions substantial improvements have been incorporated in the modules corresponding to the acoustic analysis, providing satisfactory results. The double approach presented allows for an adequate validation of the methodology

To show the potential and versatility of the developed methodology, different types of geometries such as rectangular, circular or triangular are considered. The effects of the offset of the filter outlet duct will also be studied, as well as four different types of monolith. During the life of the filter, soot is deposited on it, making its regeneration necessary. Therefore, the effect of soot on the emitted noise will be analyzed, especially on the parameter known as transmission loss index (TL). Therefore, with the tools developed, an exhaustive study of the influence on the acoustic attenuation of design and operating parameters of the diesel particulate filter is carried out.