Modelización del comportamiento acústico de sistemas con catalizador y trampa de partículas mediante elementos finitos (Ansys APDL y Workbench)

Abstract

[ES] El Trabajo de Fin de Máster se centra en el estudio de la modelización del comportamiento acústico de sistemas con catalizador y trampa de partículas en la línea de escape de un motor de combustión interna alternativo. Dicha modelización se basa en la aplicación del método de los elementos finitos que permite determinar las prestaciones de atenuación sonora de dispositivos postratamiento con monolitos (catalizador y filtro de partículas), así como realizar un estudio paramétrico detallado mediante la modificación de propiedades en los monolitos, configuraciones de geometría, presencia de hollín y la variación de la resistividad. Para ello, se ha utilizado el software comercial ANSYS en sus versiones APDL y WORKBENCH, y se han desarrollado e implementado las metodologías asociadas, con una descripción detallada de las macros y menús correspondientes. El estudio se basa en un modelo de propagación 3D/1D en tres geometrías de interés: circular, rectangular y elíptica. Las cámaras y los conductos del sistema se estudian como un modelo de propagación 3D mientras que los monolitos del catalizador y la trampa de partículas se representan con un modelo de propagación 1D desde el punto de vista acústico. Las propiedades de los monolitos se reemplazan por una matriz de transferencia la cual relaciona las propiedades de entrada y salida de los puertos del monolito. La validación del estudio se realiza mediante el cálculo del índice de la pérdida de transmisión (TL) al comparar los resultados de múltiples casos de estudio obtenidos tanto en ANSYS APDL como ANSYS WORKBENCH. Al determinar la prestación acústica del sistema de escape se obtiene un error inferior al 1% en todos los casos de estudio realizados. En base a los resultados obtenidos, se plantea como posible trabajo futuro el estudio del comportamiento acústico de la línea de escape con su disposición completa incluyendo catalizador y trampa de partículas más silenciadores, así como analizar la influencia de la temperatura en el campo acústico en condiciones normales de funcionamiento de los motores de combustión interna alternativos.

[EN] This Master's Thesis focuses on the study and the modelling of the acoustic behavior of systems with catalytic converters and particulate filters in the exhaust line of a reciprocating internal combustion engine. For this purpose, the application of the finite element method is used to determine the sound attenuation performance of after-treatment devices with monoliths (catalyst and particulate filter). In addition, a parametric study is carried out by modifying the properties of the monoliths and the geometrical configurations, as well as by considering soot presence and resistivity variation. In this work, the commercial software ANSYS in its APDL and WORKBENCH versions has been used. The associated methodologies have been developed and implemented, with a detailed description with these corresponding macros, windows and menus. The study is based on a 3D/1D propagation model in three geometries of interest: circular, rectangular, and elliptical. The chambers and ducts of the system are studied as a 3D propagation model while the monoliths of the catalyst and the particulate filter are represented with a 1D propagation model from the acoustic point of view. The properties of the monoliths are replaced by a transfer matrix which relates the input and output properties of the monolith ports. The validation of the study is performed by calculating the transmission loss (TL) index and by comparing the results of multiple case studies obtained in both ANSYS APDL and ANSYS WORKBENCH. The acoustic performance of the exhaust system has an error smaller than 1%. Based on the results obtained, the study of the exhaust line with its complete layout including catalytic converter and particulate filter plus silencers is considered as a possible future work, as well as analyzing the influence of temperature on the acoustic field under normal operating conditions of reciprocating internal combustion engines.