Development of a methodology for the exhaust gas noise characterization of a 4-stroke marine Diesel engine

Over the years, the continuative aim of higher engine performances without increasing fuel consumption has made necessary to increase every possible working parameter of the engine. Lot of these, in the last years, are controlled by regulations, more stringent along the time: first of all, the pollutant emissions, subject of numerous arguments in a global scale, then the acoustic emissions, discussed a lot too. These scopes lead marine engines to assume characteristics and parameters continuously under an improvement process, to maximize all their aspects. The continuous and important progress of marine engines is since they have been pushed to the limit of the research field on some parameters, risking encountering consequences those can be negative for the engine itself. In other terms, the challenge is to design and produce high-performance engines more and more efficient over time, with low level of noise and pollutants emissions. Thanks to new instruments such as simulation, virtual testing and validation, it is possible to develop new technological solutions changing parameters established, when many of these brand-new research instruments were not available yet. The engine tested all along the thesis is a 4-stroke turbocharged intercooled Wärtsilä engine, with direct injection, in its version with six in-line cylinders with Diesel fuel. This thesis is centered on provide a methodology to calculate the sound power in free field conditions carried out by the exhaust gases after the turbine outlet, produced by Wärtsilä engines, with the help of “GT-Power”, a “Gamma Technologies” multi-physics CAE simulation software, in which it’s possible to model the entire engine with due care. The first step to investigate new methods is for sure to comprehend deeply the potentialities of the ones used: for this reason, the first part of this thesis is the study and the analysis of the SESAM method, currently used by Wärtsilä. This one, has the merits to be very simple and it can be implemented in a lot of different geometries, but it has some gaps in terms of precision and lack of information, for example for the particle velocity. In the following, natural frequencies of different geometries have been analyzed, and the standing waves too, to understand deeply the real operation of GT-power, but also the behavior of different pipes. Moreover, through the analysis of the standing waves, it has been understood how the turbine is seen by the exhaust line, form the acoustic point of view, and in the simulative one. Then, long last, it will be presented the formulation of the new approaches for the calculation of the sound power at the outlet of the turbine in free-field, which are: Transmission Loss method, Anechoic method, Two Microphones-Two pipes method. During the project in Wärtsilä it has been placed side by side a Ph. D from the University of Trieste, in particular to create new setup and approaches for the computation of the Transmission Loss of some geometries. In the end, an Order Tracking analysis has been made, comparison the simulative model from GT-power with real measures on the engine, to verify the correct construction of the model and its operation. For sake of completeness in the description of the project, it has to be mentioned that a course, organized by MSC Software for the understanding of how to use Actran has been followed, useful for the future development of the thesis.

Sin dalla loro invenzione, i motori in generale sono stati oggetto di forti discussioni e critiche a livello mondiale. Per tale motivo il loro funzionamento e le loro performance sono frutto di una continua e costante evoluzione a causa di una rilevante e, molte volte negativa, pressione mediatica. Un ruolo decisivo nel loro sviluppo lo ha avuto anche l’emanazione di norme, sempre più stringenti, volte alla tutela della salute pubblica nei suoi molteplici aspetti. Ad oggi, i temi maggiormente monitorati sono le emissioni inquinanti, con un particolare interesse verso quelle sonore. Ciò è legato ad una sempre maggior attenzione verso le forme di energia sostenibile ed i motori a minor impatto ambientale, alimentata da ingenti campagne di sensibilizzazione dell’opinione pubblica. I motori marini sono tra i più coinvolti da queste campagne, considerato il forte impatto con l’ambiente. Per tali ragioni questi motori sono sottoposti ad un costante processo di miglioramento al fine di assumere quelle caratteristiche di sostenibilità e minor impatto sull’ambiente circostante. Il loro costante progresso è dovuto, quindi, al fatto di aver sospinto la ricerca su alcuni parametri di funzionamento del motore. In altri termini, l’attuale sfida è di progettare e produrre motori ad alte performance, sempre più efficienti, ma con livelli minori di emissioni inquinanti e acustiche. Grazie a nuovi strumenti, quali ad esempio quelli simulativi, al virtual testing e validation, è possibile sviluppare nuove soluzioni tecnologiche, assolutamente attendibili anche quando non sarebbe possibile farlo attraverso dei setup di misura. Questa tesi si pone, quindi, l’obiettivo di trovare una metodologia innovativa per calcolare la potenza sonora, in condizioni di campo aperto dei gas di scarico, dopo la flangia della turbina di bassa pressione. Il motore di riferimento per i calcoli, preso in esame durante tutta la tesi, è un motore Wärtsilä 4 tempi sovralimentato e interrefrigerato a iniezione diretta, nella sua versione a 6 cilindri disposti in linea con alimentazione Diesel., mentre si sono utilizzati GT-Power, un software multi-physics sviluppato da “Gamma Technologies” di simulazione, in cui è possibile modellare un intero motore, e MATlab. La prima parte della tesi contiene lo studio e l’analisi del metodo SESAM, attualmente utilizzato in Wärtsilä. Quest’ultimo ha il pregio di essere molto semplice e di poter essere implementato su moltissime geometrie, per contro, presenta delle lacune in termini di precisione e completezza di informazioni. A seguire si sono andate a valutare le frequenze di risonanza di alcune geometrie, così come l’evoluzione delle onde stazionarie, per ben comprendere sia il reale funzionamento di GT-Power, che la reazione dei diversi tubi. Inoltre, attraverso l’analisi delle standing waves, si è compreso come la turbina venga “vista” dalla successiva linea di scarico in ambito acustico. Al termine dell’analisi, i risultati ottenuti con le formule empiriche e quelli ottenuti con il tool di GT-Power, sono stati messi a confronto. Attraverso le azioni descritte si sono ottenuti gli elementi necessari per arrivare, finalmente, alla formulazione di nuovi approcci per il calcolo della potenza sonora in uscita dalla turbina in campo libero, quali: Transmission Loss method, Anechoic method, Two microphones-Two pipes method. Al progetto con Wärtsilä si è inoltre affiancato un dottorato di ricerca, dell’Università di Trieste, in particolare per la costruzione di nuovi setup misuristici per il calcolo delle Transmission Loss di alcune geometrie. Infine, è stato effettuata un’analisi dell’Order Tracking del modello simulativo di GT-power con misure sul motore reale, per verificare la corretta costruzione del modello ed il suo funzionamento. Per completezza della descrizione del percorso, si aggiunge che è stato seguito un corso, organizzato da MSC Software, inerente l’uso del software Actran, che ha fornito elementi di conoscenza utili per sviluppi futuri dell’argomento della tesi.