(1) Novia University of Applied Sciences, Vaasa,

Samankaltaiset tiedostot
Parempaa äänenvaimennusta simuloinnilla ja optimoinnilla

PUTKIJÄRJESTELMÄSSÄ ETENEVÄN PAINEVAIHTELUN MALLINNUS HYBRIDIMENETELMÄLLÄ 1 JOHDANTO 2 HYBRIDIMENETELMÄN MATEMAATTINEN ESITYS

SIIRTOMATRIISIN JA ÄÄNENERISTÄVYYDEN MITTAUS 1 JOHDANTO. Heikki Isomoisio 1, Jukka Tanttari 1, Esa Nousiainen 2, Ville Veijanen 2

RYHMÄKERROIN ÄÄNILÄHDERYHMÄN SUUNTAAVUUDEN

PAKOPUTKEN PÄÄN MUODON VAIKUTUS ÄÄNENSÄTEILYYN

Kuva 1. Mallinnettavan kuormaajan ohjaamo.

PILVILASKENTA AKUSTISESSA MALLINNUKSESSA 1 JOHDANTO. Tomi Huttunen 1), Antti Vanne 1), Timo Avikainen 2), Leo Kärkkäinen 2)

Puheenkäsittelyn menetelmät

ÄÄNENVAIMENTIMIEN MALLINNUSPOHJAINEN MONITAVOITTEINEN MUODONOPTIMOINTI 1 JOHDANTO. Tuomas Airaksinen 1, Erkki Heikkola 2

AKUSTISIA SIMULAATIOITA PÄÄ- JA TORSOMALLILLA. Tomi Huttunen, Timo Avikainen, John Cozens. Kuava Oy Microkatu 1, Kuopio

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 7 /

RUUVIKOMPRESSORIN TUOTTOPUTKI ILMIÖITÄ JA TYÖKALUJA

KAPSELIKUORMAMENETELMÄ MOOTTORIN AKUSTISTEN LÄH- DEOMINAISUUKSIEN MÄÄRITTÄMISEEN

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

Kuva 1: Helmholtzin käyttämä HR [2] sekä HR:n arkkityyppi Tatti.

R = Ω. Jännite R:n yli suhteessa sisäänmenojännitteeseen on tällöin jännitteenjako = 1

ÄÄNEKKÄÄMMÄN KANTELEEN MALLINTAMINEN ELEMENTTIME- NETELMÄLLÄ

Hiljainen moottoritehdas meluavassa kaupunkiympäristössä. Melupäivät / Kari Saine

Tomi Huttunen Kuava Oy Kuopio

Puheen akustiikan perusteita Mitä puhe on? 2.luento. Äänet, resonanssi ja spektrit. Äänen tuotto ja eteneminen. Puhe äänenä

SEISOVA AALTOLIIKE 1. TEORIAA

Aaltoputket ja mikroliuska rakenteet

FYSP105 / K3 RC-SUODATTIMET

Kuvia puheentutkimusprojektilta vuosina

Väliraportti: Vesipistekohtainen veden kulutuksen seuranta, syksy Mikko Kyllönen Matti Marttinen Vili Tuomisaari

SVE: Akustisen kääreen sisällä oleva linjaan asennettava hiljainen poistopuhallin

TASA- JA VAIHTOVIRTAPIIRIEN LABORAATIOTYÖ 5 SUODATINPIIRIT

Harjoitustyö, joka on jätetty tarkastettavaksi Vaasassa

KAUPUNKIALUEELLA SIJAITSEVAN SUUREN

Osatentti

4.2 Akustista fonetiikkaa

Totte Virtanen, Hannu Pelkonen.

Aktiivinen jakosuodin Linkwitz-korjauksella

U-REMIX USB RF 2 RF 1 POWER

Pyörivän sähkökoneen jäähdytys

MÄNTÄMOOTTORIVOIMALAITOKSEN YMPÄRISTÖMELU SUHTEESSA 1 JOHDANTO 2 MÄNTÄMOOTTORIVOIMALAITOKSEN ERITYISPIIRTEITÄ MUIHIN JÄRJESTELMIIN

KOTELON ÄÄNENERISTYKSEN VIBROAKUSTINEN MALLINNUS ELEMENTTIMENETELMÄLLÄ

763306A JOHDATUS SUHTEELLISUUSTEORIAAN 2 Ratkaisut 3 Kevät E 1 + c 2 m 2 = E (1) p 1 = P (2) E 2 1

Matemaattinen malli puheentutkimuksessa

300bar palaminen, uusia tutkimustuloksia. Ossi Kaario

5 Akustiikan peruskäsitteitä

HÄVIÖLLISEN PYÖREÄN AALTOJOHDON SIMULOINTI

3 Ääni ja kuulo. Ihmiskorva aistii paineen vaihteluita, joten yleensä äänestä puhuttaessa määritellään ääniaalto paineen vaihteluiden kautta.

Konventionaalisessa lämpövoimaprosessissa muunnetaan polttoaineeseen sitoutunut kemiallinen energia lämpö/sähköenergiaksi höyryprosessin avulla

Oikosulkumoottorikäyttö

VAASAN YLIOPISTO TEKNILLINEN TIEDEKUNTA SÄHKÖTEKNIIKKA. Lauri Karppi j SATE.2010 Dynaaminen kenttäteoria DIPOLIRYHMÄANTENNI.

E p1 = 1 e 2. e 2. E p2 = 1. Vuorovaikutusenergian kolme ensimmäistä termiä on siis

Mikrofonien toimintaperiaatteet. Tampereen musiikkiakatemia Studioäänittäminen Klas Granqvist

Tekijä: Markku Savolainen. STIRLING-moottori

vakioilmamääräjärjestelmiin Malli RN

KERTALUKUANALYYSI KAIVOSKONEEN MELUKARTOITUKSESSA 1 JOHDANTO 2 MITTAUKSET. Velipekka Mellin

TERMODYNAMIIKAN KURSSIN FYS 2 KURS- SIKOKEEN RATKAISUT

Tietoliikennesignaalit & spektri

Virtaus ruiskutusventtiilin reiästä

MIKROAALTOUUNI VAASAN YLIOPISTO TEKNILLINEN TIEDEKUNTA SÄHKÖTEKNIIKKA. Tuomas Karri i78953 Jussi Luopajärvi i80712 Juhani Tammi o83312

Tekniikka ja liikenne (5) Tietoliikennetekniikan laboratorio

ÄÄNITUNTUMASOITTIMEN AKUSTINEN MALLINTAMINEN JA SIMULOINTI

DIESELMOOTTORIN MELUN HALLITSEMINEN KONEAKUSTIIKAN OSAA- MISTA HYÖDYNTÄEN

Radioamatöörikurssi 2017

Kari Saarinen, Lasse Lamula, Matias Aura ja Hannu Tienhaara

LABORATORIOTYÖ 3 VAIHELUKITTU VAHVISTIN

LÄSÄ-lämmönsäästäjillä varustettujen kattotuolirakenteiden lämpöhäviön simulointi

Sekalaiset tehtävät, 11. syyskuuta 2005, sivu 1 / 13. Tehtäviä

Esim: Mikä on tarvittava sylinterin halkaisija, jolla voidaan kannattaa 10 KN kuorma (F), kun käytettävissä on 100 bar paine (p).

YLEINEN AALTOLIIKEOPPI

KOHINA LÄMPÖKOHINA VIRTAKOHINA. N = Noise ( Kohina )

A B = 100, A = B = 0. D = 1.2. Ce (1.2 D. C (t D) 0, t < 0. t D. )} = Ae πjf D F{Π( t D )} = ADe πjf D sinc(df)

Jakso 6: Värähdysliikkeet Tämän jakson tehtävät on näytettävä viimeistään torstaina

VOIMALAITOSTEKNIIKKA MAMK YAMK Tuomo Pimiä

EMC Säteilevä häiriö

VAASAN YLIOPISTO TEKNILLINEN TIEDEKUNTA SÄHKÖTEKNIIKKA. Jouko Esko n85748 Juho Jaakkola n Dynaaminen Kenttäteoria GENERAATTORI.

KORVAKÄYTÄVÄN AKUSTIIKAN MITTAUS JA MALLINNUS 1 JOHDANTO 2 SIMULAATTORIT JA KEINOPÄÄT

Öljykuormitetun pohjalevyn perusominaistaajuus

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

Tulipalon vaikutus rakenteisiin CFD-FEM mallinnuksella

ASKELÄÄNENERISTÄVYYDEN MITTAUSEPÄVARMUUS KENTTÄMITTAUKSISSA. Mikko Kylliäinen

Värähtelymittaus Tämän harjoituksen jälkeen:

521384A RADIOTEKNIIKAN PERUSTEET Harjoitus 3

Impulssioskillometria hengityksen tutkimisessa

Teknillinen korkeakoulu CFD-ryhmä / Sovelletun termodynamiikan laboratorio. Liukuvan hilan reunaehdon testaus - Krainin impelleri

Äänen eteneminen ja heijastuminen

TEKNIIKKA. Dieselmoottorit jaetaan kahteen ryhmään: - Apukammiomoottoreihin - Suoraruiskutusmoottoreihin

TUULIVOIMALAMELU MITTAUS JA MALLINNUS VELI-MATTI YLI-KÄTKÄ

Application and processing note (P)

Ohjelmoitava päävahvistin WWK-951. Anvia TV Oy Rengastie Seinäjoki

Tiedonkeruu ja analysointi

E-Power. Vibroakustisesti ympäristötehokkaan voimalaitoksen tuoteprosessi. Tommi Rintamäki General Manager Power Plant Technology Wärtsilä Finland Oy

Yleistä. Digitaalisen äänenkäsittelyn perusteet. Tentit. Kurssin hyväksytty suoritus = Harjoitustyö 2(2) Harjoitustyö 1(2)

6. Äänitasomittauksia Fysiikka IIZF2020

Luento 16: Fluidien mekaniikka

TEKNILLINEN KORKEAKOULU Systeemianalyysin laboratorio. Mat Systeemien Identifiointi. 4. harjoitus

Mitä on huomioitava kaasupäästöjen virtausmittauksissa

IVK-Tuote Oy Jani Saarvo Äänenhallinnan esitelmä JYVÄSKYLÄN ROTARYKLUBI

SIGNAALITEORIAN KERTAUSTA 1


Ohjelmoitava päävahvistin WWK-951LTE

FYSP105/2 VAIHTOVIRTAKOMPONENTIT. 1 Johdanto. 2 Teoreettista taustaa

Kertaus 3 Putkisto ja häviöt, pyörivät koneet. KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet

S Piirianalyysi 1 2. välikoe

TUULIVOIMALAMELUN ERITYISPIIRTEET JA NIIDEN HUOMIOI- 1 JOHDANTO 2 TUULIVOIMALAMELUN ERITYISPIIRTEET MINEN YMPÄRISTÖMELUARVIOINNISSA.

Transkriptio:

DIESELMOOTTORIN PAKOKAASUMELUN SIMULOINTI Mats Braskén(1), Matias Aura() (1) Novia University of Applied Sciences, Vaasa, mats.brasken@novia.fi () Wärtsilä Finland Oy, Research & Development, Vaasa, matias.aura@wartsila.com 1 JOHDANTO Dieselmoottorin tuottamaa melua voidaan tarkastella äänensyntymekanismien perusteella. Moottorin pinnan säteilemä ääni syntyy sekä mekaanisista herätteistä että palotapahtuman aiheuttamista suorista ja epäsuorista voimista. Lisäksi fluidien virtauksen ja paineenvaihtelun aiheuttamat kuormat kytkeytyvät erinäisten rakenteiden kautta moottorin ympäristöön. Palotapahtumasta aiheutuva paineennousu sylinterissä purkautuu pakoventtiilin auetessa pakokanavistoon synnyttäen painepulssin. Pulssi etenee sylinterikanavasta pakosarjan kautta turboahtimen turbiinille. Turbiinin ulkopuolella pulssi etenee edelleen pakoputkistoon, jonka toteutus ja komponentit voivat vaihdella installaatioittain. Pakoputkisto suunnitellaan siten, että putkistosta ulostulevan pulsaation aiheuttama ympäristömelu ei ylitä asetettuja rajoituksia. Tässä työssä tarkastellaan pulsaation etenemistä pakokanavistossa, sylinteristä turbiinin läpi. Tavoitteena on kehittää koko prosessin mallintava pulsaation etenemismalli, ymmärryksen parantamiseksi pakojärjestelmän toiminnasta akustisena systeeminä. Mallin avulla voidaan havainnollisesti tarkastella miten eri komponentit ja muutokset geometriassa vaikuttavat syntyvän melun taajuusjakaumaan sekä amplitudiin. Kuva 1. Mallinnuksen kohteena olevan moottorin pakokanavisto. 1

PAINEPULSAATION SYNTY JA ETENEMINEN Polttoaine-kaasuseoksen puristus ja sytytys sylinterissä tapahtuu moottorin työtahdin aikana. Palamisen seurauksena kaasun laajentuminen työntää mäntää alaspäin. Ennen kuin mäntä saavuttaa alakuolokohdan, pakoventtiili aukeaa ja paineaalto vapautuu pakokanavaan. nelitahtimoottorissa yksi sykli vastaa kahta kierrosta, eli 70 kammenkulman muutosta. simulointimallin kuusisylinterisessä rivimoottorissa pyörimisnopeudella 750 rpm tämä tarkoittaa, että uusi painepulssi syntyy pakokanavaan 10 kammenkulman välein (tks. Kuva ). Measured preassure at exhaust outlet (W3, P=100%) 3,5 3 Pressure (bar),5 1,5 1-360 -300-40 -180-10 -60 0 60 10 180 40 300 360 CA (deg) Kuva. Mitattu paine pakokanavan päässä, lähellä turbiinia. Kuten kuvasta nähdään kanavassa on jatkuva noin bar ylipaine. Jatkuvan staattisen paineen lisäksi havaittavissa on noin 1 bar dynaaminen pulsaatio tasavälein. Peräkkäisten pulssien väli on 0,067s, joka vastaa 37,5 Hz taajuutta (kts. Kuva 3). Tämä on moottorin sytytystaajuus.

FFT of pressure pulse at out-let 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,0 0,01 0 8,9 17,8 6,6 35,5 44,4 53,3 6,1 71,0 79,9 88,8 97,7 106,5 Power Frequency (Hz) 3 MALLINNUSPROSESSI Kuva 3. Painepulsaation taajuusvaste. Pakokaasujärjestelmän akustisten ominaisuuksien mallinnusprosessi on jaettu kolmeen osaan: 1. Pulsaation lähde ja pakokanava.. Turbiini ja hukkaportti. 3. Pakoputkisto vaimentimineen. Tässä artikkelissa käsitellään kahta ensimmäistä osaa. Turbiini mallinnetaan akustisesti yksinkertaistetusti passiivisena elementtinä. 3.1 Akustinen lähde ja pakokanava Sylinterin ylipaineen purkautuminen pakoventtiilien kautta synnyttää painepulsaatio kanavassa, joka tulkitaan akustisena lähteenä. Ongelma on selvästi aikariippuvainen, koska lähteet ovat jakautuneet sekä sijainnillisesti että ajallisesti. Akustinen paine voidaan ratkaista aaltoyhtälöstä 1 p p = 0. (1) c t s Yhtälö 1 on ratkaistu FE-menetelmällä [1], käyttäen taulukon 1 reunaehtoja. Saatu ratkaisu on esitetty kuvassa 4. Simulointi tulokset vastaavat hyvin mitattuja tuloksia (kuva ). Taulukko 1. Reunaehdot sisääntulolle, seinämälle sekä ulostulolle. Putken seinämä Sisäänmeno Ulostulo nˆ p= 0 p = p 0 ( t) 1 p nˆ p= cs t nˆ = seinämän normaali vektori Impedanssi Sisäänmenevä painepulssi ehto 3

Painesignaalista saadaan taajuusjakauma sekä akustinen paine ulostulossa. 3,5 Measured vs. simulated pressure at out-let 3 pressure (bar),5 1,5 1-360 -300-40 -180-10 -60 0 60 10 180 40 300 360 CA (deg) Kuva 4. Simuloitu painepulsaatio ulostulossa. 3. Passiivinen turbiinimalli Seuraavassa vaiheessa kuvassa 4 esitetyt painepulssit etenevät turbiiniin, tai ohittavat turbiinin hukkaportin kautta. Siinä missä hukkaportin geometria muistuttaa yksinkertaista putkea, turbiinin monimutkaisen geometrian kuvaamiseen tarvitaan tarkka 3D malli. Kuva 5. Pakoputken ulostulo on kytketty turbiiniin ja hukkaporttiin. Toistaiseksi mallissa käytetään passiivista turbiinimallia [][3], eli turbiinisiipien pyörimisliikkeestä aiheutuva painepulsaatio sivuutetaan kokonaan. Myös kaasun massavirtauksen ja hukkaportin vaikutus on jätetty huomioimatta, jälkimmäinen siksi, että toiminta on riippuvainen moottorin käyttöolosuhteista. Käytetty turbiinin geometria on esitetty kuvassa 6. 4

Kuva 6. Turbiinin geometria (sisäänmeno eteenpäin ja ulostulo ylöspäin). Olettaen paineenvaihtelu aika-harmoniseksi i t pe ω Turbiinin seinämille käytetään jäykkää reunaehtoa, ( p) nˆ 0 p =, yhtälöstä (1) tulee Helmholtz yhtälö. =, ja sisäänmenossa sekä ulostulossa käytetään tasoaaltoratkaisua, jolloin saatavista yhtälöistä saadaan FEM:llä ratkaistua paineen p amplitudi. Tulos edustaa turbiinin akustista siirtohäviötä d [db] Win d = 10 log, () Wout missä sisääntuleva teho W in ja vastaavasti ulostuleva teho W out, saadaan pinta-alaintegraalilla ko. pinnan A yli. W p = da. (3) ρc A s Kuvassa 7 on esitetty turbiinin akustinen siirtohäviö taajuuden funktiona. Pienillä taajuuksilla (<100 Hz), joita tarkasteltiin kappaleessa 3.1, vaste on hyvin tasainen. Tästä voidaan päätellä, että turbiini vaikuttaa hyvin vähän pienitaajuiseen pakomeluun. 5

Kuva 7. Turbiinin akustinen siirtohäviö [db]. 4 JOHTOPÄÄTÖKSET Simulointimallin tulokset ovat lupaavia. Erot mallinnuksen ja mittaustulosten välillä selittyvät osittain hieman toisistaan poikkeavilla lähtötiedoilla, ja että ulostulon impedanssi ehto on käytetty avoimen putken reunaehto. Myös korkeataajuiset komponentit puuttuvat ymmärrettävästi mallinnuksen tuloksista, koska ne syntyvät pääasiassa virtauksen vaikutuksesta. Aktiivisen turbiinimallin ja hukkaportin lisääminen akustiseen malliin on aloitettu. Pakokaasun massavirtaus jätettiin mallintamatta, koska sillä ei oletettavasti ole radikaalia vaikutusta analyysin tulokseen pakokanavan osalta. Turbiinin osalta tosin merkitys saattaa muuttua, koska virtausnopeudet lähestyvät äänennopeutta kaasussa eikä olettamus paikallaan pysyvästä kokoonpuristumattomasta väliaineesta ole enää pätevä. LÄHTEET 1. COMSOL Multiphysics (www.comsol.com).. PEAT, K.S., et al. An investigation into the passive acoustic effect of the turbine in an automotive turbocharger. Journal of Sound and Vibration 95 (006) 60-75. 3. RÄMMAL, H. & ÅBOM, M. Acoustics of turbochargers. Paper presented at SAE 007 Noise and Vibration Conference and Exhibition, May 007. 6