Master's Thesis

Optimization of Turbocharger Central Housing Design to Reduce Mechanical Noise

Final Thesis 3.34 MB Appendix 271.13 kB

Author of thesis: Bc. Michal Čupr

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: prof. Ing. Pavel Novotný, Ph.D.

Reviewer: Ing. František Kocman

Abstract:

This master’s thesis deals with the optimization of the turbocharger center housing geometry
with the aim of reducing generated noise caused by the rotation of an unbalanced rotor. The
first part of the thesis is devoted to a review of approaches and methods that can be used for the
acoustic optimization of rotating machinery, especially turbochargers. At the end of the review
section, the finite element method is selected for the analyses, and the optimization procedure
is established, including the introduction of simplifying assumptions.
The second part presents an analysis of the initial geometry using modal analysis, harmonic
analysis, and acoustic analysis. Based on the obtained results, partial modifications of the center
housing geometry are proposed and subsequently evaluated in terms of their influence on the
resulting acoustic response of the system. Among the evaluated acoustic quantities, the sound
power level is compared primarily.
The analyses presented in this thesis are performed only for model excitation; therefore, the
obtained results can be used solely for comparing individual variants and not for determining
the actual values of acoustic quantities. Finally, the geometry modification that provides the
greatest reduction of generated noise is selected. The proposed modification leads to an average
reduction in sound power level of 4.3 dB within the investigated excitation frequencies.

Keywords:

turbocharger, finite element method, sound power level, center housing, optimization, Ansys Mechanical

Date of defence

10.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Student ve vymezeném čase prezentoval svou závěrečnou práci. Následně byly přečteny posudky vedoucího a oponenta spolu s přiloženými dotazy, na které student odpověděl. Následně student zodpověděl doplňující dotazy: Podle jakého kritéria bylo vybráno kritické místo? Kompenzuje přínos zvýšenou hmotnost turbodmychadla? Vůči čemu byla optimalizována tuhost komponenty? Vysvětlete akustické metody analýz (viz prezentace). Po zodpovězení všech dotazů bylo vystoupení hodnoceno jako: B – velmi dobře.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Engineering Mechanics and Biomechanics (N-IMB-P)

Specialization

Engineering Mechanics (IME)

Composition of Committee

prof. Ing. Jan Vimmr, Ph.D. (předseda)
prof. Ing. Luboš Náhlík, Ph.D. (místopředseda)
prof. Ing. Jindřich Petruška, CSc. (člen)
prof. RNDr. Michal Kotoul, DrSc. (člen)
prof. Ing. Jiří Burša, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Pavel Hutař, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Jaroslav Zapoměl, DrSc. (člen)
Ing. Jaroslav Suchánek (člen)
doc. Ing. Tomáš Návrat, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
prof. Ing. Pavel Novotný, Ph.D.

Student ve své diplomové práci o rozsahu 49 stran vlastního textu, bez úvodních a závěrečných částí, řešil problematiku snižování akustických emisí turbodmychadla. Jedná se o aktuální technické téma s přímou vazbou na vývoj turbodmychadel, jejich vibroakustické chování a konstrukční optimalizaci.

V průběhu zpracování práce student pracoval velmi aktivně a samostatně vyhledával dostupná technická řešení. Dílčí výsledky průběžně konzultoval s vedoucím práce a na připomínky vhodně reagoval. Velmi oceňuji jeho zájem o řešenou problematiku, samostatný přístup a vysokou aktivitu při zpracování práce.

Rešeršní část je spíše stručnější, převážně však správně cílená na hlavní oblasti související se zadáním. Při jejím hlubším zpracování by bylo pravděpodobně možné identifikovat cílenější konstrukční úpravy vedoucí ke snížení vibroakustických emisí skříně turbodmychadla. Přesto rešerše poskytuje dostatečný základ pro navazující výpočtovou a návrhovou část práce.

Student vhodně využil dostupné výpočtové nástroje a sestavil MKP model odpovídající zaměření práce. Použité výpočtové a simulační postupy odpovídají běžně užívaným inženýrským metodám. Pozitivně hodnotím zejména dosažené výsledky, které pro navržené buzení ukazují snížení hladiny akustického tlaku. Dalším logickým krokem, který však již nebyl v práci realizován, by mohla být analýza konstrukce při realističtějším zatížení, například na základě výsledků dynamiky rotoru v časové doméně nebo experimentálně stanoveného zrychlení v místě uložení skříně turbodmychadla.

Je třeba také uvést, že konstrukční změny centrální skříně turbodmychadla jsou v praxi obtížněji realizovatelné, zejména vzhledem k velkému množství pevně definovaných rozhraní pro připojení okolních komponent a prvků systému chlazení a mazání. Přesto byly cíle práce, zahrnující rešerši, výpočtovou analýzu a návrh konstrukčních změn, jednoznačně splněny.

Po formální stránce je práce zpracována přehledně a splňuje požadavky kladené na diplomové práce. Použitá technická terminologie až na drobné výjimky odpovídá standardu oboru.

Po celkovém zhodnocení lze konstatovat, že student jednoznačně splnil požadavky kladené na diplomovou práci. Výsledky práce mají praktický potenciál a mohou přispět ke zlepšení konstrukce, výpočtového modelu nebo technického řešení daného systému. 
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací B
Samostatnost studenta při zpracování tématu B

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
Ing. František Kocman

Diplomovou práci pana Čupra zahrnující 60 stran lze rozdělit do části rešeršní obsahující 18 stran a části zahrnující vlastní řešení dané problematiky obsahující 28 stran.

Rešeršní část lze rozdělit do dvou částí. První je věnována přehledu zvuků generovaných turbodmychadlem. Některé studentem uváděné překlady jsou poměrně odvážné, například „odpadní ventil“ (předpokládám wastegate). Hluky jsou studentem vztaženy k typickým otáčkám motoru, avšak není zmíněno, zdali se jedná o vznětový nebo zážehový motor a pro jakou aplikaci (malý zážehový motor do městského vozu, vznětový motor nákladního vozu atd.). Uváděné obrázky s anglickými pojmy nejsou již doplněny o překlady. Druhá část je věnována přehledu metod pro akustickou analýzu, přičemž ne všechny uváděné pojmy jsou dostatečně vysvětleny. Dále lze vytknout poměrně náhodné využívání studentem na začátku definovaných zkratek a špatnou kvalitu některých převzatých obrázků.

Praktická část je zaměřena na analýzu turbodmychadla GT 4706, pro kterou je provedena modální, vibrační a akustická analýza následovaná optimalizací. Lze ocenit, že se student rozhodl buzení nevývahou rotoru doplnit nad rámec zadání o buzení motorem. Optimalizace byla provedena iteračně (manuálně) na základě předešlých výsledků, což je vzhledem k výpočetní náročnosti adekvátní. Navržené změny geometrie byly implementovány parametricky a následně byla na akusticky optimální verzi provedena topologická optimalizace za účelem snížení hmotnosti. Samotná parametrizace však nebyla využita, protože výpočty byly realizovány na značně limitovaném zařízení, nejspíše notebooku. S ohledem na hardwarové limitace bych očekával rozsáhlejší posouzení vlivu kvality sítě.

Práce je logicky uspořádaná, lze však vytknout absenci křížových odkazů a občasné chyby ve skloňování. Navzdory výše zmíněným nedostatkům lze konstatovat, že cíle zadané práce byly nad rámec splněny.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací B
Topics for thesis defence:
  1. Na jakém zařízení byly provedeny výpočty?
  2. Na straně 13 uvádíte jako jeden ze zdrojů hluků „hluk ventilátorového obvodu“. Můžete tento zdroj upřesnit?
  3. V práci uvádíte hned na několika místech, že dané změny nejsou lidským uchem rozpoznatelné. Mohl byste uvést, o jak moc velkou změnu by muselo jít, aby to již bylo slyšitelné?

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová