大气湿度对柴油机缸内工质热物性参数的影响

倪培永，王向丽

(1.南通大学 机械工程学院，江苏 南通 226019；2.南通大学 电气工程学院，江苏 南通 226019)

大气湿度对柴油机缸内工质热物性参数的影响

倪培永1，王向丽2

(1.南通大学 机械工程学院，江苏 南通 226019；2.南通大学 电气工程学院，江苏 南通 226019)

将有关热物性参数计算表达式嵌入KIVA-3软件中，这些参数包括压力、温度、比热容、比热比、比焓、导热系数、动力粘度、音速、压缩系数和普朗特数。通过改变进气成分，计算进气含湿量分别为0，5，10和20 g/kg时柴油机燃烧过程中缸内工质热物性参数的变化规律。计算结果表明，大气湿度对燃烧温度、比热容和普朗特数影响较大，对压力、比热比、比焓和音速影响较小，对压缩系数影响很小。含湿量增加，在高温时动力粘度和导热系数两者稍微增加。

柴油机；含湿量；热物性参数；模拟

0 引 言

由于天气、季节等客观因素会造成大气湿度的变化。已有研究结果表明，大气湿度尤其是高湿度对柴油机排放有重要的影响[1-4]。 这说明湿空气会对燃烧过程产生一定的影响。 若能研究湿空气在柴油机燃烧过程中热物性参数变化规律，一方面可获得湿度和热物性参数之间的定量关系，另一方面可加深了解湿空气在燃烧过程中所起的物理作用，对燃烧现象给以更详尽的解释。

目前，湿空气热物性参数的研究多集中于湿空气透平(HAT)循环方面，具体的研究包括：计算高湿空气在高温高压区域内的热物性参数[5-7]，介绍热物性参数的计算方法[8]，研究湿空气扩散燃烧特性[9-10]。然而,对柴油机湿空气燃烧过程中热物性参数研究报道并不多。基于此，本文采用KIVA-3软件模拟不同含湿量时柴油机燃烧过程热物性参数规律。研究结果可为应用进气加湿方法改善柴油机氮氧排放提供研究依据。

1 计算模型的建立

1.1 几何模型

计算用柴油机主要技术参数如表1所示。燃烧室结构已经简化，简化后的计算网格结构如图1所示。柴油机喷油器喷孔数为5，为节省计算时间，故选取燃烧室的1/5作为计算区域。

大气湿度有2种表示方式：一种是绝对湿度，即含湿量，另一种是相对湿度，两者可相互转换。本文采用含湿量来定义大气湿度，其定义为1 kg干空气同时并存的水蒸气量，单位是g/kg。本文以含湿量为0，5，10和20 g/kg为例进行计算[11]。

表1 柴油机主要技术参数Tab.1 Main parameters of diesel engine

图1 上止点时计算网格Fig.1 Computational mesh at TDC

1.2 热物性参数表达式

流体热物性包括流体的热力学性质参数和迁移(输运)性质参数，其中热力学性质参数除了压力、温度外，还包括比热容、比热比、比焓压缩系数、普朗特数、声速等，而迁移性质参数则包括粘度、导热系数等。

定压比热容

(1)

式中：γ为气体比热比；p为气体压力；T为气体温度；ρ为气体密度。

比热比

(2)

式中f(eth)为与比焓有关的函数。

根据Sutherland方程，气体动力粘度

(3)

式中A1和A2为常数。

导热系数

(4)

式中为A3和A4为常数。

压缩系数

(5)

式中v为气体体积。

比焓

(6)

式中u为比内能。

普朗特数

(7)

当地音速

(8)

式中：k为多变指数；R为气体常数。

1.3 数学模型和初始、边界条件

本研究中油滴破碎模型选择TAB模型，湍流模型为RNGk-ε模型，燃烧模型为Characteristictime模型[11]。计算从进气门关闭开始(-150°CAATDC)到排气门打开(124°CAATDC)结束。进气门关闭时刻气缸压力为0.095MPa，缸内温度为320K。 计算工况：标定转速；75%负荷。在KIVA-3软件输入参数文件itape5中，通过改变H2O的质量分数调节含湿量。

2 计算结果与分析

2.1 含湿量对热力学参数的影响

图2给出了不同含湿量时柴油机缸内工质热力学参数的变化历程。可以看出，含湿量对缸内压力影响较小，即对柴油机动力性影响不大，但对燃烧温度有一定的影响。与含湿量为0时相比，含湿量增大到20g/kg时，缸内最高燃烧温度可降低30K。因此，湿度的增加有利于降低柴油机NOx排放。由于水的比热容较大，因此含湿量增加时，混合气比热容增加，如图2(c)所示。这就定性、定量解释了进气中水蒸汽含量增加后燃烧温度降低的现象。

比热比随曲轴转角变化情况如图2(d)所示。比热比不仅与气体分子微观自由度有关，随自由度增加而减少，而且与温度有关，随着温度的增加而减小。温度增加，自由度随之增加，因此比热比减小。当空气中含湿量增加时，一方面三原子分子H2O含量增加，双原子分子氮气和氧气含量减少，引起分子自由度增加，导致比热比减小，另一方面缸内温度下降，也会导致比热比减小。

图2(e)给出了比焓随曲轴转角变化的情况。由图可看出，在压缩和做功过程中，比焓先增后减，随着含湿量增加，比焓变化很小。由于比焓与湿度、温度有关，湿度增加时，比焓增加，但是温度也减小，因此比焓变化不大。

图2(f)给出了压缩系数随曲轴转角变化的情况。由图可见，含湿量对压缩系数几乎没有影响，在压缩过程中，压缩系数减小，压缩难度加大，在上止点时压缩难度最大，在最大爆发压力后，压缩系数逐渐增加。

普朗特数是流体力学中表征流体流动中能量交换中一个重要参数。普朗特数与动力粘度和比热成正比，与导热系数成反比。图2(g)给出了普朗特数随曲轴转角变化的情况。在活塞开始上行时，温度传递速度快，温度边界层厚度发展得快，普朗特数呈下降趋势，在压缩阶段后期(-50°CA之后)，流动边界层发展较快，因此普朗特数又呈增加趋势。随着湿度增加，定压比热增加较多，导热系数下降和动力粘度下降幅度相当，因此普朗特数仍增加。

图2(h)给出了当地音速随曲轴转角变化的情况。由于在压缩和燃烧过程缸内工质状态是变化的，因此当地音速也是变化的。湿度增加，缸内温度和比热比均减少，因此当地音速减小。

图2 缸内工质热力学参数变化规律Fig.2 Thermodynamic parameters of in-cylinder working fluids with crank angle

2.2 湿度对迁移参数的影响

柴油机缸内工质迁移参数变化规律如图3所示。图3(a)给出了导热系数随曲轴转角变化的情况。由于水的导热系数小于氮气和氧气的导热系数，因此当含湿量增加时，导热系数减小。当含湿量增加时，缸内温度减小，因此气体导热系数随温度减小而减小，在低温时影响不明显，在高温时影响明显。图3(b)给出了动力粘度随曲轴转角变化的情况。动力粘度变化趋势与导热系数类似，均随曲轴转角变化是先增后减。相对于导热系数，含湿量对动力粘度影响更小。

图3 缸内工质迁移参数变化规律Fig.3 Migratory parameters of in-cylinder working fluids with crank angle

3 结 语

1)含湿量对柴油机缸内热效应影响明显，含湿量增加，缸内温度、比热容和普朗特数下降较多。

2)含湿量对缸内工质压力、比热比和比焓影响较小，对压缩系数影响很小。

3)缸内工质动力粘度与导热系数变化规律类似。与低温时相比，在高温时随着含湿量的增加，两者增加较多。

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Effect of atmospheric humidity on thermal physical parameters of in-cylinder working fluids for diesel engine

Ni Pei-yong1,WANG Xiang-li2

(1.School of Mechanical Engineering, Nantong University,Nantong 226019,China;2.School of Electrical Engineering, Nantong University,Nantong 226019,China)

The expressions of related thermal physical parameters were embedded into KIVA-3 software.Those parameters include pressure, temperature, specific heat, specific heat ratio, specific enthalpy, thermal conductivity, kinetic viscosity, sound velocity, compression coefficient and Prandtl number.By changing inlet gas composition, the thermal physical parameters of in-cylinder working fluids were calculated during diesel combustion at different atmospheric humidity (0, 5, 10 and 10 g/kg).The simulation results show that humidity has important effect on combustion temperature, specific heat and Prandtl number, a little effect on pressure, specific heat ratio, specific enthalpy and sound velocity, and little effect on compression coefficient.With increasing humidity ratio, the thermal conductivity and kinetic viscosity increase slightly at high temperature.

diesel engine; humidity ratio; thermal physical parameters; simulation

2015-04-21；

2015-08-06

中国博士后科学基金资助项目(2013M541613)

倪培永(1977-)，男，博士，副教授，研究方向为内燃机燃料与燃烧。

TK421.1

A

1672-7649(2015)12-0054-05

10.3404/j.issn.1672-7649.2015.12.011