閉式循環(huán)條件下內(nèi)燃機(jī)燃油和工質(zhì)物性計(jì)算

張玉龍，曲 哲，劉克大，李宏偉（. 海裝沈陽軍代表局，沈陽 00；. 哈爾濱電站工程有限責(zé)任公司，哈爾濱 50040；. 中國船舶重工集團(tuán)公司第七O三研究所，哈爾濱 50078）

閉式循環(huán)條件下內(nèi)燃機(jī)燃油和工質(zhì)物性計(jì)算

張玉龍1，曲 哲2，劉克大3，李宏偉3
（1. 海裝沈陽軍代表局，沈陽 110031；2. 哈爾濱電站工程有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040；3. 中國船舶重工集團(tuán)公司第七O三研究所，哈爾濱 150078）

針對閉式循環(huán)條件下，缸內(nèi)工質(zhì)的特殊構(gòu)成，提出用正十六烷和α -甲基萘按適當(dāng)比例混合的混合物來模擬燃油，認(rèn)為缸內(nèi)燃燒過程的氣態(tài)工質(zhì)由氧氣、氮?dú)?、水蒸汽、二氧化碳、氬氣、正十六烷和?-甲基萘所組成。同時，給出了燃油和缸內(nèi)工質(zhì)物性計(jì)算所應(yīng)采用的方法。經(jīng)驗(yàn)證，方法是正確的、可行的。

燃油；工質(zhì)；物性；數(shù)值計(jì)算；閉式循環(huán)柴油機(jī)

0 引言

采用閉式循環(huán)，可以大幅度提高動力裝置的續(xù)航力。世界各國都在大力開展閉式循環(huán)的研究。閉式循環(huán)內(nèi)燃機(jī)則是閉式循環(huán)動力中的重要一種。

閉式循環(huán)內(nèi)燃機(jī)中燃油的蒸發(fā)過程和燃燒過程是整個工作過程的核心。燃油蒸發(fā)過程和燃燒過程的模擬涉及大量有關(guān)燃油和缸內(nèi)物質(zhì)物性的計(jì)算。傳統(tǒng)的計(jì)算方法把物性看作常數(shù)或溫度的函數(shù)，沒有考慮到溫度、壓力、成分和相變對工質(zhì)物性的綜合影響。而實(shí)際上，內(nèi)燃機(jī)的缸內(nèi)工質(zhì)處于高溫、高壓狀態(tài)，而且是由多種成分組成的混合物。無論是對蒸發(fā)過程還是燃燒過程，物性的計(jì)算都應(yīng)充分考慮溫度、壓力、成分和相變等因素的影響?；谏鲜鲈?，本文的物性計(jì)算主要針對的是閉式循環(huán)內(nèi)燃機(jī)中燃油的蒸發(fā)過程和燃燒過程；至于工作過程中的其它部分，物性計(jì)算采用一般方法即可滿足要求。

1 燃油和缸內(nèi)工質(zhì)的物性計(jì)算

內(nèi)燃機(jī)中燃油的蒸發(fā)過程發(fā)生在圍繞油滴的邊界層內(nèi)。計(jì)算蒸發(fā)過程必須考慮邊界層內(nèi)燃料蒸汽與空氣混合物的物性對傳質(zhì)、傳熱過程的影響。內(nèi)燃機(jī)燃料是一種成分十分復(fù)雜的烴類混合物，為了計(jì)算上的方便，常用正十六烷來代替燃油進(jìn)行計(jì)算。本文考慮到正十六烷的物性與燃油的物性相差太多，同時燃油中芳烴的含量是影響內(nèi)燃機(jī)燃燒過程和整機(jī)性能的最本質(zhì)因素，因而提出用正十六烷和α -甲基萘按適當(dāng)比例混合的混合物的物性作為對燃油物性的近似。

閉式循環(huán)采用海水吸收發(fā)動機(jī)廢氣中的CO2，再向剩余的氣體中添加O2，進(jìn)行工質(zhì)的再循環(huán)使用。根據(jù)閉式循環(huán)的特點(diǎn)，其循環(huán)工質(zhì)中不可避免地含有水蒸汽和未被完全吸收的CO2。由于水蒸汽和CO2都是三原子分子，其比熱比空氣大，為了保證發(fā)動機(jī)的正常工作，需在循環(huán)工質(zhì)中添加單原子氣體—— 氬氣(Ar)。因此，考慮到燃油的蒸發(fā)，可以發(fā)現(xiàn)燃油油滴的周圍氣體主要由七種成分（O2、N2、H2O、CO2、Ar、正十六烷和α -甲基萘）混合而成。

閉式循環(huán)內(nèi)燃機(jī)燃燒、蒸發(fā)模型中，通過下列公式完成燃油蒸發(fā)計(jì)算[1]

式中，Tf——油滴的溫度；

mf——油滴的質(zhì)量；

Cpf——油滴定壓比熱；

Df——油滴的直徑；

T∞——單元的溫度；

h*——受傳質(zhì)率影響的傳熱系數(shù)；

Hv——蒸發(fā)潛熱；

YS——油滴表面的燃油蒸汽質(zhì)量分?jǐn)?shù)；

Y∞——單元內(nèi)燃油蒸汽質(zhì)量分?jǐn)?shù)；

K*——高質(zhì)量傳遞的傳質(zhì)系數(shù)；

顯然，燃油蒸發(fā)、燃燒過程計(jì)算中涉及到的物性主要有：體積膨脹系數(shù)、粘度、導(dǎo)熱系數(shù)、分子擴(kuò)散系數(shù)、飽和蒸汽壓、蒸發(fā)潛熱、液態(tài)燃油的定壓比熱和密度等等[1]。至于其它物性，限于篇幅，本文不再討論。

1.1 體積膨脹系數(shù)

體積膨脹系數(shù)[2]的定義為

式中v為比容。

體積膨脹系數(shù)β可由氣體狀態(tài)方程求得?？紤]到燃油蒸汽的所處狀態(tài)，理想氣體狀態(tài)方程并不適用。取實(shí)際氣體狀態(tài)方程Peng-Robinson方程[2]作為混合物的狀態(tài)方程，該方程既可應(yīng)用于汽相計(jì)算，也可用于液相計(jì)算，具體形式如下

1.2 粘度

燃油及周圍氣體是由各種成分組成的混合物，模擬計(jì)算中的粘度應(yīng)為混合物的粘度，而此時缸內(nèi)工質(zhì)處于高溫、高壓狀態(tài)，所以對粘度的計(jì)算必須進(jìn)行成分和壓力的修正。

1.2.1 氣態(tài)純物質(zhì)的粘度

粘度的計(jì)算考慮了分子間的相互作用，作了如下假設(shè)：(1) 氣體只發(fā)生雙分子碰撞；(2) 在碰撞期間的分子運(yùn)動可以用經(jīng)典力學(xué)來描述；(3) 分子只發(fā)生彈性碰撞；(4) 分子間的相互作用力只在兩分子固定中心之間作用。

純物質(zhì)的粘度[2]可用下式表示

Ω —— 偏心因子；

A = 1.161 45，B = 0.148 74，C = 0.524 87，D = 0.773 20，E = 2.161 78，F(xiàn) = 2.437 87；Pc、Tc —— 臨界壓力、臨界溫度。

1.2.2 低壓時混合物的粘度

本文采用平方根規(guī)律法[2]，其求法如下

式中yi，μi為組份i的摩爾分?jǐn)?shù)、粘度；Mi為組份i的相對分子質(zhì)量。

1.2.3 高壓時混合物的粘度

在高壓下，混合物的粘度mμ要進(jìn)行壓力修正。本文中的修正方法采用剩余粘度法[2]

yi—— 組份i的摩爾分?jǐn)?shù)；

Zci——組份i的臨界壓縮因子。

1.3 導(dǎo)熱系數(shù)

在發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)，導(dǎo)熱系數(shù)和粘度一樣，計(jì)算時需考慮溫度、壓力和成分的影響。

1.3.1 純物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)

對于純物質(zhì)，由于其所構(gòu)成分子的原子數(shù)和物質(zhì)種類不同，其導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算方法也不同。

1.3.1.1 單原子氣體的導(dǎo)熱系數(shù)

對于Ar這樣的單原子氣體，其導(dǎo)熱系數(shù)由下式?jīng)Q定[3]

式中，λ —— 導(dǎo)熱系數(shù)；

T —— 溫度，K；

M —— 相對分子質(zhì)量，kg?mol-1；

σ —— 分子的特性尺寸，nm；

?v—— 碰撞積分。

1.3.1.2 多原子氣體的導(dǎo)熱系數(shù)

對于多原子氣體，其導(dǎo)熱系數(shù)由Eucken公式[2]決定

式中，cv—— 定容比熱，J?(mol?K)?1；

R —— 氣體常數(shù)，8.314J?(mol?K)?1；

μ —— 粘度，Pa?s。

1.3.2 混合物的導(dǎo)熱系數(shù)

混合物的導(dǎo)熱系數(shù)λm采用結(jié)合因子法[2]計(jì)算

式中，iy、iλ—— 組份i的摩爾分?jǐn)?shù)、導(dǎo)熱系數(shù)；

Mi、Mj—— 組份i、j的相對分子質(zhì)量；iμ、jμ—— 組份i、j的粘度。

1.3.3 高溫、高壓條件下混合物的導(dǎo)熱系數(shù)

在缸內(nèi)高溫、高壓條件下，缸內(nèi)工質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度和壓力而變化，必須考慮溫度和壓力對導(dǎo)熱系數(shù)的影響。

1.3.3.1 溫度對導(dǎo)熱系數(shù)的影響

高溫下氣體混合物的導(dǎo)熱系數(shù)由下式[2]確定

式中，mλ為溫度T時的導(dǎo)熱系數(shù)；0mTλ為273.15 K時的氣體混合物導(dǎo)熱系數(shù)。

1.3.3.2 壓力對導(dǎo)熱系數(shù)的影響

本文采用對比密度法[2]計(jì)算高壓下氣體混合物的導(dǎo)熱系數(shù)：

1.4 分子擴(kuò)散系數(shù)[2]

式中，?為分子擴(kuò)散系數(shù)；T為單元?dú)怏w的特征溫度，K。

1.5 飽和蒸汽壓

由于燃油的物性用正十六烷和α -甲基萘的混合物的物性來模擬，所以須求正十六烷和α -甲基萘的飽和蒸汽壓。

正十六烷的飽和蒸汽壓Ps[2],

16

α -甲基萘的飽和蒸汽壓Psα[2],

式中Tl為燃油的溫度，K。

液態(tài)混合物的飽和蒸汽壓Ps ,

式中y16、yα為液態(tài)燃油中正十六烷、α -甲基萘的摩爾分?jǐn)?shù)。

1.6 蒸發(fā)潛熱

在某一溫度T時蒸發(fā)潛熱[2]為

式中，?Hv1——正常沸點(diǎn)時的蒸發(fā)潛熱；

1.7 液態(tài)燃油的定壓比熱

液態(tài)燃油定壓比熱與壓力關(guān)系不大，所以只考慮溫度的影響。利用文獻(xiàn)[4]中的數(shù)據(jù)，采用正交曲線擬合的辦法擬合出液態(tài)燃油定壓比熱與溫度的關(guān)系

式中Tl為液態(tài)燃油溫度，K。

1.8 液態(tài)燃油密度

同液態(tài)燃油定壓比熱一樣，液態(tài)燃油密度與壓力的關(guān)系不大，也只考慮溫度的影響。利用液體對比密度表[4]分別求出正十六烷和α -甲基萘密度和溫度的關(guān)系。

限于篇幅，公式中的符號和單位不能全部說明，請參閱文獻(xiàn)[2]。

2 計(jì)算結(jié)果

為了驗(yàn)證上述物性算法的正確性，本文將物性計(jì)算結(jié)果和資料上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，同時將采用不同物性計(jì)算方法計(jì)算的工作過程結(jié)果與實(shí)驗(yàn)情況進(jìn)行了對比。

2.1 不同溫度時燃油的動力粘度

對于液態(tài)燃油和燃油蒸汽在不同溫度下的動力粘度，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值分別見表1和表2（壓力為1.013×105Pa）。

表1 液態(tài)燃油的動力粘度Tab. 1 The dynamical viscosity of liquid fuel

表2 燃油蒸汽的動力粘度Tab. 2 The dynamical viscosity of the fuel steam

2.2 燃油的導(dǎo)熱系數(shù)

液態(tài)燃油和燃油蒸汽在不同溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)分別見表3和表4。

表3 液態(tài)燃油的導(dǎo)熱系數(shù)Tab. 3 The heat conductivity factor of liquid fuel

表4 燃油蒸汽的導(dǎo)熱系數(shù)Tab. 4 The heat conductivity factor of the fuel steam

從上述4個表中，可以發(fā)現(xiàn)采用本文介紹的方法所計(jì)算出的物性，與實(shí)測值很接近，采用本方法可以完成對物性的計(jì)算。

2.3 工作過程計(jì)算結(jié)果

為了將本文介紹的物性計(jì)算方法與傳統(tǒng)方法進(jìn)行對比，進(jìn)行了工作過程數(shù)值模擬計(jì)算（廣安搏之模型，詳見文獻(xiàn)[1]）。計(jì)算中，除了物性計(jì)算方法不同外，其余均相同。計(jì)算結(jié)果及實(shí)測結(jié)果見圖1。

從圖1中可以發(fā)現(xiàn)，采用新方法的計(jì)算結(jié)果更貼近于實(shí)際情況。這說明本文介紹的物性計(jì)算方法比傳統(tǒng)方法更加真實(shí)、可靠。

圖1 采用不同方法的示功圖Fig. 1 The pressure development using different methods

3 結(jié)論

由于閉式循環(huán)燃燒過程是整個內(nèi)燃機(jī)工作過程的核心，燃油蒸發(fā)的計(jì)算和內(nèi)燃機(jī)燃燒的模擬均涉及到大量燃油和其周圍工質(zhì)的物性計(jì)算，物性計(jì)算的準(zhǔn)確程度直接決定著工作過程模擬計(jì)算結(jié)果的真實(shí)性、可靠性。圖1已清楚地說明了這一點(diǎn)。限于實(shí)驗(yàn)條件，不可能對所有物性都進(jìn)行實(shí)際測量，但從已有的結(jié)果中可以看出本文介紹的方法對內(nèi)燃機(jī)中的物性計(jì)算是正確的、可行的，且與傳統(tǒng)方法相比，該方法可以提高工作過程模擬計(jì)算的精度。

[1] HIROYUKI H, TOSHIKAZU K, MASATAKA ARAI. Development and use of a spray combustion modeling to predict diesel engine efficiency and pollutant emissions[J]. Bulletin of the JSME,1983, 26(214)： 569-575.

[2] 童景山，李敬. 流體熱物理性質(zhì)的計(jì)算[M]. 北京： 清華大學(xué)出版社, 1982.

[3] 童景山. 流體的熱物理性質(zhì)[M]. 北京： 中國石化出版社, 1996.

[4] 馬慶芳, 高榮生, 郭舜. 實(shí)用熱物理性質(zhì)手冊[M]. 北京： 中國農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社, 1986.

[5] 趙士林. 九十年代內(nèi)燃機(jī)[M].上海： 上海交通大學(xué)出版社, 1992.

[6] 沈維道, 鄭佩芝, 蔣淡安. 工程熱力學(xué)[M]. 北京： 高等教育出版社, 1983.

The Physical Property Parameters Calculation of Fuel and Working Medium in Closed Cycle Diesel

ZHANG Yu-long1, QU Zhe2, LIU Ke-da3, LI Hong-wei3
( 1.Military Representative Bureau of Navy Equipment Department in Shenyang, Shenyang 110031, P. R. China; 2. Harbin Power Engineering Company Limited, Harbin 150040, P. R. China; 3. 703rd Research Institute of China Shipbuilding Industry Corporation, Harbin 150078, P. R. China )

As the special composing of material in cylinder in the closed cycle diesel, the method of using the property of mixture of C16H34and C11H10to replace that of the fuel is presented, and the gas material in cylinder is consisted of O2, N2, H2O, CO2, Ar, C16H34and C11H10. At the same time, the method for calculation of physical property parameters of fuel and gas material in cylinder is given. The method is verified to be correct and practical by testing.

fuel; working medium; physical property; numerical calculation; closed cycle diesel

TK421.14

A

附：各種成分的基本物性數(shù)據(jù)

成分 相對分子質(zhì)量臨界溫度/(K)臨界壓力/(105Pa)臨界比容/(10-3m3/Kg )臨界壓縮因子 偏心因子 正常沸點(diǎn)/(K)氧氣 31.999 154.60 50.447 2.294 0.288 0.021 90.2氮?dú)?28.013 126.20 33.936 3.195 0.290 0.040 77.4水 18.015 647.30 220.429 3.109 0.229 0.334 373.2二氧化碳 44.01 304.20 73.746 2.136 0.274 0.225 194.7氬 39.948 150.8 48.725 1.875 0.291 ?0.004 87.3正十六烷 226.45 717.00 14.182 4.219 0.227 0.742 560.0 α -甲基萘 142.20 772.00 35.658 3.129 0.250 0.334 517.8

1001-4543(2012)01-0020-08

2011-12-23;

2012-03-18

張玉龍（1972－），男，河南人，工程師，在讀博士，主要研究方向?yàn)檩啓C(jī)工程，電子郵箱zhangyu197210@sina.com。