闭式循环条件下内燃机燃油和工质物性计算

张玉龙，曲 哲，刘克大，李宏伟（. 海装沈阳军代表局，沈阳 00；. 哈尔滨电站工程有限责任公司，哈尔滨 50040；. 中国船舶重工集团公司第七O三研究所，哈尔滨 50078）

闭式循环条件下内燃机燃油和工质物性计算

张玉龙1，曲 哲2，刘克大3，李宏伟3
（1. 海装沈阳军代表局，沈阳 110031；2. 哈尔滨电站工程有限责任公司，哈尔滨 150040；3. 中国船舶重工集团公司第七O三研究所，哈尔滨 150078）

针对闭式循环条件下，缸内工质的特殊构成，提出用正十六烷和α -甲基萘按适当比例混合的混合物来模拟燃油，认为缸内燃烧过程的气态工质由氧气、氮气、水蒸汽、二氧化碳、氩气、正十六烷和α -甲基萘所组成。同时，给出了燃油和缸内工质物性计算所应采用的方法。经验证，方法是正确的、可行的。

燃油；工质；物性；数值计算；闭式循环柴油机

0 引言

采用闭式循环，可以大幅度提高动力装置的续航力。世界各国都在大力开展闭式循环的研究。闭式循环内燃机则是闭式循环动力中的重要一种。

闭式循环内燃机中燃油的蒸发过程和燃烧过程是整个工作过程的核心。燃油蒸发过程和燃烧过程的模拟涉及大量有关燃油和缸内物质物性的计算。传统的计算方法把物性看作常数或温度的函数，没有考虑到温度、压力、成分和相变对工质物性的综合影响。而实际上，内燃机的缸内工质处于高温、高压状态，而且是由多种成分组成的混合物。无论是对蒸发过程还是燃烧过程，物性的计算都应充分考虑温度、压力、成分和相变等因素的影响。基于上述原因，本文的物性计算主要针对的是闭式循环内燃机中燃油的蒸发过程和燃烧过程；至于工作过程中的其它部分，物性计算采用一般方法即可满足要求。

1 燃油和缸内工质的物性计算

内燃机中燃油的蒸发过程发生在围绕油滴的边界层内。计算蒸发过程必须考虑边界层内燃料蒸汽与空气混合物的物性对传质、传热过程的影响。内燃机燃料是一种成分十分复杂的烃类混合物，为了计算上的方便，常用正十六烷来代替燃油进行计算。本文考虑到正十六烷的物性与燃油的物性相差太多，同时燃油中芳烃的含量是影响内燃机燃烧过程和整机性能的最本质因素，因而提出用正十六烷和α -甲基萘按适当比例混合的混合物的物性作为对燃油物性的近似。

闭式循环采用海水吸收发动机废气中的CO2，再向剩余的气体中添加O2，进行工质的再循环使用。根据闭式循环的特点，其循环工质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，其比热比空气大，为了保证发动机的正常工作，需在循环工质中添加单原子气体—— 氩气(Ar)。因此，考虑到燃油的蒸发，可以发现燃油油滴的周围气体主要由七种成分（O2、N2、H2O、CO2、Ar、正十六烷和α -甲基萘）混合而成。

闭式循环内燃机燃烧、蒸发模型中，通过下列公式完成燃油蒸发计算[1]

式中，Tf——油滴的温度；

mf——油滴的质量；

Cpf——油滴定压比热；

Df——油滴的直径；

T∞——单元的温度；

h*——受传质率影响的传热系数；

Hv——蒸发潜热；

YS——油滴表面的燃油蒸汽质量分数；

Y∞——单元内燃油蒸汽质量分数；

K*——高质量传递的传质系数；

显然，燃油蒸发、燃烧过程计算中涉及到的物性主要有：体积膨胀系数、粘度、导热系数、分子扩散系数、饱和蒸汽压、蒸发潜热、液态燃油的定压比热和密度等等[1]。至于其它物性，限于篇幅，本文不再讨论。

1.1 体积膨胀系数

体积膨胀系数[2]的定义为

式中v为比容。

体积膨胀系数β可由气体状态方程求得。考虑到燃油蒸汽的所处状态，理想气体状态方程并不适用。取实际气体状态方程Peng-Robinson方程[2]作为混合物的状态方程，该方程既可应用于汽相计算，也可用于液相计算，具体形式如下

1.2 粘度

燃油及周围气体是由各种成分组成的混合物，模拟计算中的粘度应为混合物的粘度，而此时缸内工质处于高温、高压状态，所以对粘度的计算必须进行成分和压力的修正。

1.2.1 气态纯物质的粘度

粘度的计算考虑了分子间的相互作用，作了如下假设：(1) 气体只发生双分子碰撞；(2) 在碰撞期间的分子运动可以用经典力学来描述；(3) 分子只发生弹性碰撞；(4) 分子间的相互作用力只在两分子固定中心之间作用。

纯物质的粘度[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 = 2.437 87；Pc、Tc —— 临界压力、临界温度。

1.2.2 低压时混合物的粘度

本文采用平方根规律法[2]，其求法如下

式中yi，µi为组份i的摩尔分数、粘度；Mi为组份i的相对分子质量。

1.2.3 高压时混合物的粘度

在高压下，混合物的粘度mµ要进行压力修正。本文中的修正方法采用剩余粘度法[2]

yi—— 组份i的摩尔分数；

Zci——组份i的临界压缩因子。

1.3 导热系数

在发动机气缸内，导热系数和粘度一样，计算时需考虑温度、压力和成分的影响。

1.3.1 纯物质的导热系数

对于纯物质，由于其所构成分子的原子数和物质种类不同，其导热系数的计算方法也不同。

1.3.1.1 单原子气体的导热系数

对于Ar这样的单原子气体，其导热系数由下式决定[3]

式中，λ —— 导热系数；

T —— 温度，K；

M —— 相对分子质量，kg⋅mol-1；

σ —— 分子的特性尺寸，nm；

Ωv—— 碰撞积分。

1.3.1.2 多原子气体的导热系数

对于多原子气体，其导热系数由Eucken公式[2]决定

式中，cv—— 定容比热，J⋅(mol⋅K)−1；

R —— 气体常数，8.314J⋅(mol⋅K)−1；

µ —— 粘度，Pa⋅s。

1.3.2 混合物的导热系数

混合物的导热系数λm采用结合因子法[2]计算

式中，iy、iλ—— 组份i的摩尔分数、导热系数；

Mi、Mj—— 组份i、j的相对分子质量；iµ、jµ—— 组份i、j的粘度。

1.3.3 高温、高压条件下混合物的导热系数

在缸内高温、高压条件下，缸内工质的导热系数随温度和压力而变化，必须考虑温度和压力对导热系数的影响。

1.3.3.1 温度对导热系数的影响

高温下气体混合物的导热系数由下式[2]确定

式中，mλ为温度T时的导热系数；0mTλ为273.15 K时的气体混合物导热系数。

1.3.3.2 压力对导热系数的影响

本文采用对比密度法[2]计算高压下气体混合物的导热系数：

1.4 分子扩散系数[2]

式中，℘为分子扩散系数；T为单元气体的特征温度，K。

1.5 饱和蒸汽压

由于燃油的物性用正十六烷和α -甲基萘的混合物的物性来模拟，所以须求正十六烷和α -甲基萘的饱和蒸汽压。

正十六烷的饱和蒸汽压Ps[2],

16

α -甲基萘的饱和蒸汽压Psα[2],

式中Tl为燃油的温度，K。

液态混合物的饱和蒸汽压Ps ,

式中y16、yα为液态燃油中正十六烷、α -甲基萘的摩尔分数。

1.6 蒸发潜热

在某一温度T时蒸发潜热[2]为

式中，∆Hv1——正常沸点时的蒸发潜热；

1.7 液态燃油的定压比热

液态燃油定压比热与压力关系不大，所以只考虑温度的影响。利用文献[4]中的数据，采用正交曲线拟合的办法拟合出液态燃油定压比热与温度的关系

式中Tl为液态燃油温度，K。

1.8 液态燃油密度

同液态燃油定压比热一样，液态燃油密度与压力的关系不大，也只考虑温度的影响。利用液体对比密度表[4]分别求出正十六烷和α -甲基萘密度和温度的关系。

限于篇幅，公式中的符号和单位不能全部说明，请参阅文献[2]。

2 计算结果

为了验证上述物性算法的正确性，本文将物性计算结果和资料上的实验数据进行了对比，同时将采用不同物性计算方法计算的工作过程结果与实验情况进行了对比。

2.1 不同温度时燃油的动力粘度

对于液态燃油和燃油蒸汽在不同温度下的动力粘度，计算结果与实测值分别见表1和表2（压力为1.013×105Pa）。

表1 液态燃油的动力粘度Tab. 1 The dynamical viscosity of liquid fuel

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

2.2 燃油的导热系数

液态燃油和燃油蒸汽在不同温度下的导热系数分别见表3和表4。

表3 液态燃油的导热系数Tab. 3 The heat conductivity factor of liquid fuel

表4 燃油蒸汽的导热系数Tab. 4 The heat conductivity factor of the fuel steam

从上述4个表中，可以发现采用本文介绍的方法所计算出的物性，与实测值很接近，采用本方法可以完成对物性的计算。

2.3 工作过程计算结果

为了将本文介绍的物性计算方法与传统方法进行对比，进行了工作过程数值模拟计算（广安搏之模型，详见文献[1]）。计算中，除了物性计算方法不同外，其余均相同。计算结果及实测结果见图1。

从图1中可以发现，采用新方法的计算结果更贴近于实际情况。这说明本文介绍的物性计算方法比传统方法更加真实、可靠。

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

3 结论

由于闭式循环燃烧过程是整个内燃机工作过程的核心，燃油蒸发的计算和内燃机燃烧的模拟均涉及到大量燃油和其周围工质的物性计算，物性计算的准确程度直接决定着工作过程模拟计算结果的真实性、可靠性。图1已清楚地说明了这一点。限于实验条件，不可能对所有物性都进行实际测量，但从已有的结果中可以看出本文介绍的方法对内燃机中的物性计算是正确的、可行的，且与传统方法相比，该方法可以提高工作过程模拟计算的精度。

[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. 流体热物理性质的计算[M]. 北京： 清华大学出版社, 1982.

[3] 童景山. 流体的热物理性质[M]. 北京： 中国石化出版社, 1996.

[4] 马庆芳, 高荣生, 郭舜. 实用热物理性质手册[M]. 北京： 中国农业机械出版社, 1986.

[5] 赵士林. 九十年代内燃机[M].上海： 上海交通大学出版社, 1992.

[6] 沈维道, 郑佩芝, 蒋淡安. 工程热力学[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：各种成分的基本物性数据

成分 相对分子质量临界温度/(K)临界压力/(105Pa)临界比容/(10-3m3/Kg )临界压缩因子 偏心因子 正常沸点/(K)氧气 31.999 154.60 50.447 2.294 0.288 0.021 90.2氮气 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氩 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

张玉龙（1972－），男，河南人，工程师，在读博士，主要研究方向为轮机工程，电子邮箱zhangyu197210@sina.com。