Bir Dizel Jeneratörde Artan Motor Yükünün Egzoz Geri Basıncı Üzerindeki Etkisinin Sayısal ve Deneysel İncelenmesi

Abstract

Bu çalışmada dizel motora sahip bir jeneratörde kullanılan egzoz susturucu sisteminin, motor yükünün kademeli olarak artışı karşısında sergilediği egzoz geri basınç (EGB) davranışı sayısal ve deneysel olarak incelenmiştir. Sayısal analiz EGB sonuçlarının deneysel test EGB sonuçları ile uyumu kontrol edilerek deneysel EGB ölçümüne olan ihtiyacın ortadan kaldırılabilme durumu incelenmiştir. İlk olarak seçilen dizel motorun beş farklı motor yükü altındaki egzoz gaz sıcaklığı ve debisi deneysel olarak ölçülmüştür. Seçilen motora entegre edilmek üzere tasarlanan perfore borulu reaktif bir susturucu ölçülen gaz sıcaklığı ve debi değerleri kullanılarak hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) analizlerine tabi tutulmuştur. ANSYS-Fluent programında sonlu hacimler yöntemi kullanılarak gerçekleştirilen bu sayısal analiz çalışmaları ile sayısal EGB değerleri elde edilmiştir. Son olarak imalatı gerçekleştirilen egzoz susturucu sistemi, kademeli olarak artırılan beş farklı motor yükü altında deneysel EGB testlerine tabi tutulmuştur. Elde edilen sayısal ve deneysel EGB sonuçlarına göre dizel bir jeneratörde kademeli motor yükü artışının EGB’yi parabolik olarak artırdığı görülmüştür. Farklı yük koşulları için EGB’ye ait sayısal ve deneysel çalışma sonuçlarının motor yükü arttıkça daha uyumlu hale geldiği anlaşılmış olup kritik yük koşulu olan %110 motor yükü altında analiz hata oranının %4,06 olduğu görülmüştür. Ayrıca jeneratör egzoz susturucu tasarımında, sadece sayısal çalışmalar kullanılarak deneysel EGB testlerine olan ihtiyacın ortadan kaldırılabileceği sonucuna varılmıştır.

Keywords

• Dizel Jeneratör
• Egzoz Geri Basıncı (EGB)
• Susturucu HAD Analizi
• k-ω (SST)

Numerical and Experimental Investigation of the Effect of Increasing Engine Load on Silencer Back Pressure in a Diesel Generator

Abstract

In this study, the exhaust back pressure (EBP) behavior resulting from the gradual increase in engine load of the exhaust muffler system used in a diesel engine generator was investigated numerically and experimentally. By examining the compatibility of numerical analysis and experimental test exhaust back pressure results with each other, the possibility of eliminating the need for experimental exhaust back pressure test is examined. Firstly, the exhaust gas temperature and flow rate of the selected diesel engine under five different engine loads were experimentally measured. A reactive muffler with perforated pipe, designed to be integrated into the selected engine, was subjected to computational fluid dynamics (CFD) analyzes using measured exhaust gas temperature and gas flow rate. Numerical EBP values were obtained with these numerical analysis studies, which were carried out using the finite volume method in the ANSYS-Fluent program. Finally, the exhaust silencer system, which was manufactured, was subjected to experimental EBP tests under five different engine loads that were gradually increased. According to the numerical and experimental EBP results obtained, it has been observed that the gradual engine load increase in a diesel generator increases the EBP as parabolic. It was understood that the numerical and experimental results of the EBP for different load conditions became more compatible as the engine load increased, and the numerical analysis error rate was found as 4.06% under the 110% engine load which is the critical load condition. In addition, it was concluded that the need for experimental EBP tests can be eliminated by using only numerical studies in the generator exhaust muffler design.

Keywords

• Diesel Generator
• Exhaust Back Pressure (EBP)
• Silencer CFD Analysis
• k-ω (SST)

References

1. [1] Chaudhari, U. B., Pate, S. M., Jani , D. S., & Bambhania, M. P. (2015). Catalytic converter analysis. Int. Journal of Fluid and Thermal Engineering (IJFTE), 1(01), 1-5.
2. [2] Nursal, R. S., Hashim, A. H., Nordin, N. I., Hamid, M. A., & Danuri, M. R. (2017). CFD Analysis On The Effects Of Exhaust Backpressure Generated By Four-Stroke Marine Diesel Generator After Modifıcation Of Silencer And Exhaust Flow Design. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 12(4), 1271-1280.
3. [3] Desale, S., Patil , D., & Arakerimth, R. R. (2015). Experimental Analysis Of Engine Exhaust Back Pressure On Emission Characteristics Of Four Cylinder Diesel Engine. International Journal of Engineering and Management Research (IJEMR), 102-105.
4. [4] Ubale, A. B., Pangavhane, S. D., Tandon, V. A., & Pangavhane, D. R. (2013). Experimental and CFD Analysis of a Perforated Inner Pipe Muffler for the Prediction of Backpressure. International Journal of Engineering and Technology, 5(5), 3940-3950.
5. [5] Patil, N., & Chaudhary, S. (2018). CFD Analysis Of Exhaust Backpressure For Four-Stroke CI Engine. IJRTI, 3(6), 247-252.
6. [6] Xu, J., Zhou, S., & Li, K. (2015). Analysis Of Flow Field And Pressure Loss For Fork Truck Muffler Based On The Finite Volume Method. International Journal of Heat And Technology, 33(3), 85-90. DOI: 10.18280/ijht.330312
7. [7] Fang, J., Zhou, Y., Jiao, P., & Ling, Z. (2009). Study on Pressure Loss for a Muffler Based on CFD and Experiment. International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation (s. 887-890). IEEE. DOI: 10.1109/ICMTMA.2009.357
8. [8] Çetin , M. O. (2011). Susturucularda Basınç Kaybı ve Akustik Performansın İncelenmesi. İ.T.Ü. Fen Bilimleri Enstitiüsü. Yüksek Lisans Tezi, 135s, İstanbul

9. [9] ANSYS, 2010, Solver Theory Guide, ANSYS CFX Release 13 Manual. ANSYS Inc., USA, 270s.
10. [10] Lim, D. C., Al-Kayiem, H. H., & Kurnia, J. C. (2018). Comparison of different turbulence models in pipe flow of various Reynolds numbers. (s. 020005(1-8)). American Institute of Physics (AIP). DOI:10.1063/1.5075553
11. [11] Menter, F. R. (1994). Two-Equation Eddy-Viscosity Turbulence Models for Engineering Applications. AIAA Journal, 32(8), 1598-1605. DOI:10.2514/3.12149
12. [12] ANSYS, 2013, Theory Guide, ANSYS Fluent Release 15 Manual. ANSYS Inc., USA, 814s.
13. [13] Bardina, J. E., Huang, P. G., & Coakley , T. J. (1997). Turbulence Modeling Validation,Testing, and Development. NASA Technical Memorandum 110446.
14. [14] Chung, T. J. (2010). Computational Fluid Dynamics. ss 591-616. Chung, T. J., ed. 2010 Computational Fluid Dynamics. Cambridge University Press. DOI:10.1017/CBO9780511780066
15. [15] Jaaskelainen,H., DieselNet., 2021, Exhaust Gas Properties,https://dieselnet.com/tech/diesel_exh.php (Erişim Tarihi: 21.04.2021)
16. [16] Rao, K. N., & Munjal, M. L. (1986). Experimental Evaluation of Impedance of Perforates with Grazing Flow. Journal of Sound and Vibration, 108(2), 283-295. DOI:10.1016/S0022-460X(86)80056-6
17. [17] Fang, J., Qiang, J., Yigi, Z., & Deli, Z. (2014). Research on Relation among Inlet/outlet Pressure, Pressure Loss and Inlet Velocity of a Complex Resistance Muffler. Applied Mechanics and Materials, 858-863. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMM.477-478.858