Dizel motorlarda yanma gürültüsünün transfer fonksiyonunun incelenmesi
Investigation of combustion transfer function on diesel engines
Yazar: İBRAHİM ÇİYLEZ
Danışman: PROF. DR. HALUK EROL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Dinamiği, Titreşimi ve Akustiği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Otomobillerde titreşim ve gürültüyü etkileyen alt sistemlerden biri olan motor, aracın en kritik alt sistemi olmakla beraber, türüne göre karakteristiği farklılık gösterir. Araçlarda kullanılan içten yanmalı motor tipleri benzinli ve dizel motorlar olarak ikiye ayrılmaktadır. Bunlardan yaygın kullanıma sahip olan dizel motorlar, Dr. Rudolf Diesel tarafından 1892'de keşfedilmiştir. 
Araçlarda kullanılan dizel motorlar, ürettiği yüksek tork ve düşük yakıt tüketimi ile birçok araç kullanıcısının tercihi olmaktadır. Dizel motorların bu avantajlarının yanında dezavantajları da bulunmaktadır. Bunlardan bir tanesi olan titreşim ve gürültü seviyeleri, dizel motorların en büyük problemlerindendir. Dizel motorlar yapısı gereği, havayı daha fazla sıkıştırarak dışarıdan enerji gerektirmeksizin yanma prosesini gerçekleştirebilmektedir. Bu yanma sonucu oluşan silindir içerisindeki basınç, benzinli motorlardan kat kat fazla olmaktadır. Silindir içerisindeki basınçta oluşan ani artış, dizel motorlarda yanma gürültüsünü oluşturmakta ve bu gürültü kullanıcı tarafından hissedilmektedir.
Bu tez çalışmasında, dizel motorlarda yanma gürültüsü incelenmiş, yanma gürültüsünün transfer fonksiyonunun sonlu elemanlar ve sınır elemanlar yöntemleri ile elde edilmesi amaçlanmıştır. Yanma gürültüsünün transfer fonksiyonu, yapının içerisinde yanma gürültüsünün ne kadar zayıflatıldığını belirleyen, yanma gürültüsü için kritik bir fonksiyondur. Bu transfer fonksiyonu literatürde anlatılan test metotlarından regresyon analizi ile transfer fonksiyonun eldesi yöntemi kullanılarak, deneysel olarak bulunmuştur. Daha sonra bu deneysel çalışmalar ile CAE çalışmaları sentezlenerek yanma gürültüsü transfer fonksiyonunun doğrulama çalışmaları yapılmıştır.
Giriş bölümünde, dizel motorlarla ilgili genel bilgiler verilmiş olup dizel motorlarda bilinen gürültü kaynaklarından bahsedilmiş, yanma gürültüsünün üzerinde durulmuştur. Yanma gürültüsünün parametreleri olan transfer fonksiyonu ve silindir içi basıncı arasındaki ilişki anlatılmıştır. Bu bilgileri destekler yönde yapılan literatür araştırmasındaki çalışmalar sıralanmıştır. 
İkinci bölümde ise bu tez çalışmasında yapılan deneysel ve CAE çalışmalarının dayandırıldığı teorik bilgiler verilmiştir. Titreşimin temelleri, akustik dalgaların teorisi ve kullanılan CAE metotları, sonlu elemanlar ve sınır elemanları metotlarına değinilmiştir. 
Daha sonra ki bölümde, bu tez kapsamında bahsedilen yanma gürültüsü transfer fonksiyonunu elde etme yöntemleri anlatılmıştır. Bu metotlar, deneysel yöntemler olmakla beraber bu tez kapsamında kullanılan metot, ses kaynaklarının ayrıştırılması ve regresyon analizidir. Bu metotlar ile motordan yayılan toplam gürültünün, gürültüye katkıda bulunan kaynaklara ayrıştırılması sağlanmaktadır. Kaynakların ayrı ayrı elde edilmesi sayesinde, özel olarak yanma gürültüsünün değeri belirlenmektedir. Daha sonra yanma gürültüsünün değeri ile ölçülebilen bir değer olan silindir içerisindeki basıncın arasında lineer bir ilişki aranmaktadır. Regresyon analizi ile bu ilişki elde edilerek yanma gürültüsünün transfer fonksiyonu elde edilmiştir. Elde edilen yanma gürültüsünün transfer fonksiyonları 1/3 oktav bantlarında gösterimi yapılarak 4 farklı mikrofondan ölçülen gürültünün ve 4 mikrofonun ortalaması olan gürültünün transfer fonksiyonları elde edilmiştir.
Dördüncü bölümde ise bu tezin amacı olan CAE çalışmaları için sonlu elemanlar modelinin kurulumu anlatılmıştır. Daha sonra kurulan dizel motorun sonlu elemanlar modeli ile modal analiz ve frekans cevabı analizleri yapılmıştır. Bu analizler sonucu, yapının doğal frekansları ve dış yüzeyinde oluşan yüzey hızları elde edilmiştir. Kullanılan bir diğer metot olan sınır elemanları yöntemi için gerekli olan yüzey hızları LMS Virtual Lab. programında görsel bir şekilde incelenmiş, yüzey hızlarının frekanslara göre hangi parçalar üzerinde yoğun olduğu belirlenmiştir. Yine LMS Virtual Lab. programında sınır elemanları ağı kurularak akustik model hazırlanmıştır. Akustik modelin kurulumu tamamlandıktan sonra yaygın olarak kullanılan ATV metodu ile akustik analizler tamamlanmıştır. Elde edilen ilk sonuçlar, deneysel çalışmaların sonucu olan yanma gürültüsü transfer fonksiyonları ile karşılaştırılmıştır. İki sonuç arasındaki farklar belirlendikten sonra ortaya çıkan sonuç farklılıklarının kök sebepleri araştırılmıştır. Yapılan parametrik çalışmalar sonucunda test ve CAE sonuçları yakınsamış, yanma gürültüsünün transfer fonksiyonu sayısal analizlerle doğrulanmıştır. Sonuçların 2000 Hz 1/3 oktav bandı haricinde %5'in altında hata oranına sahip olduğu görülmüştür. 2000 Hz'te ise ortaya çıkan sonuçlar supap mekanizmasının muhafazasının malzeme özelliklerinin lineer kabulünden dolayı ortaya çıktığı görülmüştür. 
Sonuç olarak bu çalışma, dizel motorlarda yanma gürültüsünün transfer fonksiyonunun sonlu elemanlar ve sınır elemanları yöntemleri kullanılarak elde edilmesini amaçlamıştır. Bu sayısal metotlar ile deneysel olarak elde edilen sonuçlar ile karşılaştırılarak doğrulama çalışması yapılmıştır. Bu sonuçlar ışığında CAE destekli çalışmaların NVH alanında kullanılabilirliği gösterilmiştir ve yanma gürültüsünün daha iyi anlaşılabilmesi için yanma gürültüsü transfer fonksiyonu üzerine çalışmalara ışık tutması ve sayısal metotların kullanımının artırılmasına katkı sağlaması amaçlanmıştır.

Abstract:
Automotive history begins with industrial revolution, correspondingly gasoline engines had been found to empower vehicles with increased power and torque where steam powered engines were used at the first years of automobiles. Researchers had studied on many type of propulsion systems and one of them is the revolutionary designed engine as known as diesel engines. Dr. Rudolph Diesel is the inventor of the diesel engine or as called by Rudolph Diesel as compression ignition engines. Nowadays, there are many type of usage of diesel engines as power generation, vehicle drive unit, ship propulsions etc. Diesel engine has widely utilization because of its fuel efficiency and torque rate.   
From the beginning of the 1980s, noise and vibration topics become one of the major research and development field due to that dynamical systems can not be represented as statical and dynamic behavior of the structures and machines created crucial problems in the history such as Tacoma bridge.
Noise and vibration is also research area for the automobile manufacturers as dynamical behavior of the cars are getting to excessive levels and customers suffer from comfort problems while driving. Diesel and gasoline technologies have vital impact on customer satisfaction due to its performance, fuel efficiency and noise expectations and these attributes have increase dynamic impacts on an engine, car. Automobile companies are willing to satisfy customers and noise-vibration is one of the major attribute to provide comfort to customers. There are 2 type engine have been used as gasoline engines and diesel engines. Both engine has different combustion cycle and it leads to different dynamic behavior. According to gasoline engines, diesel engine has noisier performance since combustion pressures are significantly higher that is causing combustion noise problem.  
Diesel type of internal combustion engines have compression ignition, which creates sudden rise at combustion pressures. Furthermore, diesel engines have high cylinder pressures according to gasoline engines, which generates higher noise at combustion process. Combustion noise is the dominant noise on diesel engines and combustion noise reduction provides significant improvement on engine total noise. Noise generation is related with the transfer function of noise and excitation forces. Excitation forces on a diesel engine are the comb1ustion pressure in the cylinder and cylinder pressure calibration is a multi-diciplinary topic, which affects all powertrain attributes in aspect of performance of a car. Cylinder pressures optimization sometimes can not provide significant improvement due to other requirements and solution is searched on transfer function of the noise. Engineers are willing to solve each problem at design step of the powertrain. Combustion noise is vital for NVH engineers. Previous studies show that combustion noise is dominant between 500 Hz – 3500 Hz and diesel engines have high combustion noise contribution to total engine noise. Structure can attenuate low frequency content of combustion noise due to high structural attenuation of the noise transfer path. Mid frequency range is critical for combustion noise, structural weak frequencies should be known to understand combustion noise contribution.  Hence, transfer function of the combustion noise should be known and it is crucial that engineers can reduce noise via transfer function at design step via improvement of the structure. Transfer function of the noise becomes important for engineers. 
There are different type of combustion transfer function extraction methods and first is the ISVR "Banger Rig" test method. This test method is specific to extract combustion transfer function and it can be done only in ISVR facilities. This expensive test is crucial on diesel engine development. Another test method is extraction of combustion transfer function with multi – regression analysis and noise breakdown method. These methods are being used in the industry that diesel engine noise is getting quieter. 
The aim of this study to obtain a methodology for combustion transfer function extraction with the help of CAE and gathered results from CAE calculations will be correlated with the test results. Structural and acoustic models are prepared to create same conditions of the banger rig test method. CAE analysis includes modal analysis to get mode shapes in the interested frequency range, which is between 500 Hz – 3500 Hz due to combustion noise effective range. Another calculation was to obtain engine structure surface velocity. Velocity calculation is required to calculate sound pressure level at each microphone, which are located distance at 1 meter from engine surface.
In the first chapter of the thesis, general information about diesel engines has been given. Gasoline and diesel engine difference is also given to understand nature of the both engine types. Beside of these informations, working principle of the diesel engines has been given. Combustion process is the key step of the diesel engines due to different ignition type. Combustion has significant contribution to vibration and noise on diesel engines and reason behind of this contribution is given in this chapter. Also, noise source types are defined in this chapter to give basis of the diesel engine NVH. Main subject of this thesis is the combustion noise on diesel engines and combustion noise is explained as direct and indirect combustion noise and the meanings. Also aim of this thesis is expressed that this study aims to obtain combustion transfer function of the diesel engine via finite element and boundary element tools. There are given literature studies to understand background of this study.
In the second chapter, theoretical background of the subjects of thesis is given. Basis of the vibration and propogation of the acoustic waves are explained. In detail, free vibration of single degree of freedom systems is described with formulations and illustrations and forced vibrations of single degree of freedom systems.Non homogenous acoustic waves and propogation of acoustic waves in the finite medium are described with equations. Furthermore, finite element method and boundary element method for vibration and acoustic calculations are described. In order to understand combustion process on diesel engines, combustion theory is mentioned so combustion noise transfer function can be deductive.
In the next chapter, experimental methods of the combustion transfer function are mentioned. First of all, ISVR banger rig method is the critical method to obtain combustion transfer function. Special test rig to measure combustion transfer function is placed in the Southampton ISVR facility. This rig is to create controlled explosion in the combustion chamber with special ınjector and fuel mixture. It is measured by sensors to determine frequency content of the explosion. In addition to combustion measurement, there are 4 microphone as top, front, right, left microphones and there are accelerometers to measure surface vibrations of the engine. Another test method is noise breakdown and regression analysis of combustion noise and cylinder pressure. On this method, total engine noise has been measured and each contributor source is determined which are combustion noise, mechanical noise, flow noise. Extracted combustion noise has relation between cylinder pressure in frequency domain and noise measurement on microphones. For each microphone, regression analysis is done and transfer function is extracted. Experimental results have been examined to understand behavior and plotted.
Final chapter of the study is to build finite element (FE) and boundary element (BE) models. Additionally, structural model is used to extract surface velocity from the engine so it allows to run acoustic analysis. First step in this chapter, structural model of the subjected diesel engine is prepared. From CAD model, each component is meshed with standardized mesh requirements. Connection between components are done according to experience of Ford and different connection and element types are used to meet various connection type like welds, bearings, bolt connections. Structural model has been prepared and it is used to run modal analysis and frequency response analysis for surface velocity. In the next step, acoustic model has been prepared and acoustic transfer vector (ATV) analysis is done. BE mesh is completed to satisfy frequency range of the analysis. Combustion noise is dominant between 500 Hz and 4000 Hz, analysis is done up to 3150 Hz so mesh size should be adjusted to satisfy this frequency range. As similar to test condition, 4 microphone is placed around engine and ATV analysis is run which is a transfer vector between microphones and boundary element mesh nodes. Advantage of ATV is to not calculate acoustic medium matrices repeatively in each analysis case. At the end of this chapter, structural and acoustic analyses are completed and first results have been obtained. Comparison of experimental and CAE results have been investigated and which 3rd octave band frequencies have deterioration is determined. According to narrow band results, modal analysis is checked and critical mode shapes and natural frequencies are extracted. There have been parameterized study to satisfy experimental results and diesel engine FE model have been updated ,accordingly. Final results show that correlation between test and CAE is satisfied under %5 error rates except 2000 Hz 3rd octave band. The problem on 2000 Hz is explained with model linearity and material cards given into FE model is not appropriate to satisfy exact material information.
Briefly in this thesis, combustion transfer function of diesel engine is obtained with numerical methods and experimental methods. Additionally, correlation of two results has been satisfied and it is showed that combustion transfer function can be obtained from numerical methods as well as experimental methods. CAE methods can be useful to predict such transfer functions and appropriate FE model allows to investigate combustion noise and combustion transfer function. This study proves that diesel engine combustion noise have linear relation with combustion transfer function and this transfer function can be extracted with CAE tools. Transfer function illustrate weak frequencies of the structure to improve noise performance of the diesel engines.