Dizel jeneratör motorlarında egzoz geri basıncının emisyon ve performansa etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of exhaust back pressure on emission and performance in diesel generator engines
Yazar: YALÇIN DOĞAN
Danışman: PROF. DR. YAKUP ERHAN BÖKE
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Yakın gelecekte insanoğlunu bekleyen tehlikelerin başında yaşadığı gezegenin hızla ısınması ve bu durumun canlı yaşamı üzerinde meydana getirdiği olumsuz etkiler gelmektedir. Günümüzde küresel ısınma başlığı adı altında sıkça rastladığımız bu problemin oluşmasında fosil yakıtların kullanımı başı çekmektedir. Dünyada kendiliğinden oluşan sera gazlarına insanoğlunun faaliyetleri sonucu açığa çıkan sera gazları da eklenince dünyanın ısısı her geçen gün artmaktadır.
Küresel ısınmanın etkileri günden güne kendini gösterirken durumun ciddiyetinin farkına varan dünya devletleri bu durumun önüne geçebilmek adına bir yandan bu alandaki teknoloji yatırımlarını artırırken diğer yandan fosil yakıt tüketimi sonucu ortaya çıkan emisyon değerlerine katı sınırlamalar getirmektedir. Bu amaçla içten yanmalı motor emisyonları için standart limit değerleri belirlenmiş ve üreticilerin bu değerlerin üzerine çıkmaması için çeşitli yaptırım kararları alınmıştır. Bu emisyon standartlarına göre çalışması beklenen içten yanmalı motor tiplerinden biri de dizel içten yanmalı motorlardır. Büyük oranda taşıma ve enerji endüstrisinde kullanılan bu motor teknolojisi egzoz emisyonları açısından kısıtlamalara tabidir.
Bu çalışmada elektrik enerjisi üretimi sağlayan jeneratörlerde kullanılan dizel bir elektrik güç motoru ele alınmıştır. Bu motorların silindirleri içerisinde gerçekleşen yanma prosesi sonucu belirli termodinamik özelliklere sahip atık egzoz gazı oluşmakta olup oluşan bu atık egzoz gazının atmosfere tahliyesi sırasında çeşitli ilave sistem ya da ekipmanlardan dolayı egzoz geri basıncı (EGB) meydana gelebilmektedir. Bu tez çalışması ile dizel bir elektrik güç motorunda EGB değişiminin başta motorun emisyon ve yakıt tüketim performansı (YTS) olmak üzere hava fazlalık katsayısı (HFK-λ) ve egzoz gaz sıcaklığı (EGS) gibi çeşitli parametreler üzerine olan etkileri incelenmiştir.
Çalışmanın temel amacı değişen EGB'nin motorun emisyon ve çeşitli parametre değerleri üzerindeki etkisinin incelenmesi olduğundan EGB seviyesinin kademeli olarak değiştirilmesi icap etmektedir. Bu nedenle egzoz gazının geri basınç seviyesi belirlenen bir yöntemle değiştirilerek farklı motor yükleri altındaki emisyon değerleri incelenmiştir. Yöntem olarak dizel jeneratörlerde gürültü azaltmak için farklı tipleri kullanılmakta olan ve egzoz sisteminde EGB artışına neden olan iki farklı endüstriyel tip egzoz susturucu sistemi tasarlanarak kullanılmıştır. Belirlenen bu yöntemle hem gerçeğe en yakın iki test koşulu sağlanmış hem de testler için arzu edilen EGB değişimi elde edilmiştir. 
Çalışmanın deneysel testlerini gerçekleştirmek için sıralı tip dört silindirli, dört zamanlı, turbo şarjlı ve maksimum 89,6 kWe çıkış gücü verebilen dizel bir motor seçilmiştir. Seçilen bu motor çeşitli motor yük koşulları altında emisyon testlerine tabi tutulmuştur. Testler motor devrinin 1500 d/d olduğu durumda kWe biriminde sırasıyla %0 (yüksüz), %25, %50, %75, %100 ve %110 motor yük koşulları altında gerçekleştirilmiştir. Testler sırasında atmosfere atılan egzoz gazının emisyon analizi için hassas bir gaz analizör cihazı kullanılarak atık gaz içerisindeki karbondioksit (CO2), oksijen (O2), karbon monoksit (CO) ve azot oksit (NOx) emisyonlarının yanı sıra hava fazlalık katsayısı (HFK-λ) miktarlarındaki değişim kayıt altına alınmıştır. Ayrıca gaz tahliyesi sırasında oluşan egzoz geri basınç (EGB) ve egzoz gaz sıcaklığı (EGS) değerlerinin yanı sıra yakıt tüketim sarfiyatı (YTS) verileri de test öncesi uygun yerlere yerleştirilen sensör ve cihazlar vasıtası ile toplanmıştır.
Emisyon testleri öncesi Model-1 ve Model-2 olarak adlandırılan EGB'yi artıracak egzoz susturucu sistemlerinin hazır edilmesi ve montajının gerçekleştirilebilmesi gerekmektedir. Bu amaçla Model-1 ve Model-2 prototip susturucularının sistemde yaratacağı muhtemel EGB seviyelerini test öncesi öngörebilmek adına her iki modelde deneysel testlerden önce ANSYS-Fluent programında Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) analizlerine tabi tutulmuşlardır. Analizler yardımı ile her iki modelin motor üzerinde yaratacağı EGB seviyeleri incelenmiştir. Ticari bir yazılım olan ANSYS-Fluent programında gerçekleştirilen tüm akış analizleri sırasında RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes) ve k-ω SST türbülans modeli tercih edilmiş olup ağ yapısı (mesh) olarak yapılandırılmamış (unstructured) ağ yapısı kullanılmıştır. Bu aşamada Model-1 ve Model-2 prototip susturucularının yaratacağı muhtemel EGB'leri arasında bütün yük koşulları için yaklaşık iki kat EGB artışı sağlanacak şekilde modeller geliştirilmiştir. Böylece emisyon ölçümleri için rastgele bir EGB artışı üzerinden değil belirli bir oranda EGB artışı üzerinden değerlendirme yapılabilmiştir. Analiz sonuçlarına göre egzoz sistemi üzerinde oluşan egzoz gazı sıcaklık ve basınç dağılımları deneysel testler sırasında sensörlerden alınan veriler ile karşılaştırılarak doğrulaması yapılmıştır. 
Sayısal çalışmalarla desteklenen deneysel testler belirlenen bir yöntem çerçevesinde gerçekleştirilmiştir. Elde edilen çalışma sonuçlarına göre motor üzerinde EGB artışının sağlanması için kullanılan egzoz susturucu sistemlerinin HAD analiz sonuçları ile deneysel EGB test sonuçlarının maksimum yük koşulu için %98,5'e varan oranda birbiriyle uyumlu olduğu görülmüştür. Sayısal çalışma ile deneysel çalışma arasında ortaya çıkan %1,5'luk sapma oranının, susturucu sistemlerinin pürüzlülük miktarları da göz önüne alındığında oldukça kabul edilebilir bir oran olduğu sonucuna varılmaktadır. Ayrıca EGB artışının EGS ve YTS üzerinde eş zamanlı olarak artışa neden olduğu yapılan deneysel testler neticesinde ortaya konulmuştur. 
Yapılan emisyon testleri sonuçlarına göre bir dizel jeneratör motorunda EGB artışı, silindir içi yanma prosesinin verimini ifade eden HFK(λ) değerini düşürerek yanmanın stokiyometrik yanma bölgesine yaklaşmasını sağlamıştır. EGB artışı neticesinde meydana gelen emisyon ürünlerinin davranışları ele alındığında, dizel jeneratör motorunda EGB artışının %0 (yüksüz) yük koşulu hariç tüm yük koşullarında CO2 emisyonunu sürekli olarak artırırken özellikle %75 ve üzeri motor yüklerinde O2 emisyonunu sürekli olarak azalttığı görülmüştür. CO emisyonuna ilişkin elde edilen sonuçlarda ise EGB artışı, HFK belirli bir seviyeye ininceye kadar (%0, %25 ve %50 motor yüklerinde) CO emisyonunu azaltırken HFK'nın bu seviyenin altına inmesiyle beraber EGB artışı CO emisyonunu radikal şekilde artırmıştır. Dizel motorların en önemli emisyon ürünlerinden biri olan NOx'ler ise tüm yük koşullarında EGB artışıyla beraber artış göstermiştir. Susturucu sistemleri HAD analizleri sırasında özellikle sağlanan iki kat basınç artışının herhangi bir emisyon ürününün oluşumuna belirgin bir oranda yansımadığı görülmüştür.

Abstract:
At the outset of the dangers waiting for human beings in the near future, the rapid warming of the planet they live in and the negative effects of this situation on living life are coming. One of the most important reasons for the formation of this problem, which we frequently encounter under the name of global warming, is the use of fossil fuels. When greenhouse gases released because of human activities are added to the greenhouse gases that occur spontaneously in the world, the temperature of the world is increasing day by day.
Since the effects of global warming are increasing day by day, countries that understand the importance of the situation increase their technology investments in this area on the one hand, and on the other hand, impose strict limits on the emission values resulting from fossil fuel consumption. For this purpose, standard limit values for internal combustion engine emissions have been determined and various sanctions have been taken to prevent manufacturers from exceeding these values. One of the internal combustion engine types that are expected to operate according to these emission standards is diesel internal combustion engines. This engine technology, which is largely used in the transport and energy industries, is subject to restrictions in terms of exhaust emissions.
In this study, a diesel electric power engine used in generators providing electrical energy production is discussed. As a result of the combustion process in the cylinders of these engines, waste exhaust gas with certain thermodynamic properties is formed, and during the discharge of this waste exhaust gas to the atmosphere, exhaust back pressure (EBP) may occur due to various additional systems or equipment. In this thesis, the effects of EBP change in a diesel electric power engine on various parameters such as the engine's emission and fuel consumption performance, excess air coefficient (λ) and exhaust gas temperature (EGT) were investigated.
Since the main purpose of the study is to examine the effect of changing EBP on the emission and various parameter values of the engine, it is necessary to change the EBP level gradually. For this reason, the emission values under different engine loads were investigated by changing the back pressure level of the exhaust gas with a determined method. As a method, two different industrial type exhaust silencer systems, which are used in different types to reduce noise in diesel generators and cause EBP increase in the exhaust system, were designed, and used. With this method determined, both the two test conditions closest to reality were provided and the desired EBP change for the tests was obtained.
To perform the experimental tests of the study, a diesel engine with in-line type four cylinders, four strokes, turbocharged and maximum power output of 89.6 kWe was selected. This selected engine has been subjected to emission tests under various engine load conditions. The tests were carried out under 0% (no load-idle), 25%, 50%, 75%, 100% and 110% engine load conditions, respectively, in kWe at a 1500 rpm (revolutions per minute) engine speed. For the emission analysis of the exhaust gas released into the atmosphere during the tests, a sensitive gas analyzer device was used to measure the carbon dioxide (CO2), oxygen (O2), carbon monoxide (CO) and nitrogen oxide (NOx) emissions in the waste gas and the change in the excess air coefficient (λ) during combustion. In addition, the exhaust back pressure (EBP) and exhaust gas temperature (EGT) values of the exhaust gas formed during the gas discharge, as well as the fuel consumption were collected by means of sensors and devices placed in appropriate places before the test.
Before the emission tests, the exhaust silencer systems that will increase the EBP, called Model-1 and Model-2, should be prepared, and assembled. For this purpose, both models were subjected to Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis in the ANSYS-Fluent program before the experimental tests to predict the possible EBP levels that the Model-1 and Model-2 prototype silencers will create in the system before the test. Thanks to analysis, the EBP levels that both models will create on the engine have been examined. RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes) and k-ω SST turbulence models were preferred during all flow analysis performed in Fluent, a commercial software, and unstructured mesh was used as mesh structure. At this stage, models were developed in such a way that an approximately double increase in EBP for all load conditions between the possible EBP to be created by the Model-1 and Model-2 prototype mufflers. Thus, for emission measurements, it was possible to evaluate not a random EBP increase, but a certain amount of EBP increase. According to the results of the analysis, the exhaust gas temperature and pressure distributions formed on the exhaust system were compared with the data obtained from the sensors during the experimental tests and verified.
Experimental tests supported by numerical studies were carried out within the scope of a determined method. According to the results of the study, it was seen that the CFD analysis results of the exhaust silencer systems used to increase the EBP on the engine and the experimental EBP test results were compatible with each other up to 98.5% for the maximum load condition. It is concluded that the 1.5% deviation rate between the numerical study and the experimental study is quite an acceptable ratio when the roughness of the muffler systems is considered.
In addition, it has been revealed because of experimental tests that the increase in EBP causes simultaneous increase in EGT and fuel consumption. According to the results of the emission tests, the increase in EBP in a diesel generator engine decreased the excess air coefficient (λ) value, which expresses the efficiency of the in-cylinder combustion process and enabled the combustion to approach the stoichiometric combustion region. Considering the behavior of the emission products resulting from the EBP increase, it has been observed that the EBP increase in the diesel generator engine continuously increases the CO2 emission under all load conditions except 0% (no load-idle) load condition, while it decreases the O2 emission continuously, especially at 75% and above engine loads. In the results of the CO emission, the increase in EGB reduces the CO emission until the excess air coefficient (λ) decreases to a certain level (0%, 25% and 50% engine loads), while the increase in the EBP radically increases the CO emission when the excess air coefficient (λ) decreases below this level. NOx, which is one of the most important emission products of diesel engines, increased with the increase in EBP under all load conditions. Unlike the studies in the literature, it is aimed to examine the results over a certain ratio of EBP increase, not a random EBP. For this reason, models have been developed with a double pressure increase between the muffler systems by means of CFD analysis. As a result, it was observed that this double pressure increase was not reflected in the formation of any emission product at a distinctive rate.