Определение констант уравнения состояния для расчета упругих свойств различных моторных топлив и технических жидкостей

Аннотация

Создание современных математических моделей нестационарного высоконапорного впрыскивания топлива в двигателях требует замены универсальных эмпирических уравнений для одного из упругих свойств топлива на математически более корректное уравнение состояния. Обоснована необходимость существования и использования удобных и простых форм уравнения состояния, позволяющих быстро и с достаточной точностью определять значения плотности, коэффициента сжимаемости и скорости звука традиционных и альтернативных топлив для дизельных двигателей. Проанализированы современные подходы к описанию состояния капельных и двухфазных жидкостей. Отсутствие фазовых переходов в процессе подачи топлива под высокими давлениями позволило обосновать возможность использования уравнения состояния для прямого и обратного счета. Предложено уравнение состояния, адекватное процессам с высокими и ультравысокими (до 400 МПа) давлениями и умеренно высокими (до 460 K) температурами. Описаны применяемое оборудование и способ получения эмпирической информации через определение текущей скорости звука. Приведены метод расчета значений констант выбранной формы уравнения состояния в виде выражений, определяющих их зависимость от температуры, и алгоритм расчета констант уравнения состояния при обработке экспериментальных данных. На основе данных из литературы, а также результатов проведенных исследований получены комплекты эмпирических коэффициентов уравнения состояния для 49 дизельных топлив, различных испытательных и технических жидкостей, альтернативных моторных топлив

Исследование выполнено за счет гранта РНФ (проект № 21-49-00012)

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Грехов Л.В., Марков В.А., Арсенов Н.А. и др. Определение констант уравнения состояния для расчета упругих свойств различных моторных топлив и технических жидкостей. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение, 2022, № 4 (143), c. 108--137. DOI: https://doi.org/10.18698/0236-3941-2022-4-108-137

Литература

[1] Herrmann O. Ultra high pressure and enhanced multiple injection --- potentials for the diesel engine and challenge for the fuel injection system. Fuel Systems for IC Engines, 2012, pp. 103--114. DOI: https://doi.org/10.1533/9780857096043.4.103

[2] Kendlbacher C., Muller P., Bernhaupt M., et al. Large engine injection systems for future emission legislations. CIMAC Cong., 2010, p. 50.

[3] Pflaum S., Wloka J., Wachtmeister G. Emission reduction potential of 3000 bar Common Rail Injection and development trends. CIMAC Cong., 2010, p. 195.

[4] Nishida K., Zhu J., Leng X., et al. Effects of micro-hole nozzle and ultra-high injection pressure on air entrainment, liquid penetration, flame lift-off and soot formation of diesel spray flame. Int. J. Engine Res., 2017, vol. 18, no. 1-2, pp. 51--65. DOI: https://doi.org/10.1177/1468087416688805

[5] Wang X., Huang Z., Zhang W., et al. Effects of ultra-high injection pressure and micro-hole nozzle on flame structure and soot formation of impinging diesel spray. Appl. Energy., 2011, vol. 88, no. 5, pp. 1620--1628. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2010.11.035

[6] Alavianmehr M.V., El-Shaikh M., Akbari F. A new equation of state for modeling thermodynamic properties of some fatty acids alkyl esters, methyl ester-based bio-diesels and their blends. Fluid Phase Equilib., 2017, vol. 442, pp. 53--61. DOI: https://doi.org/10.1016/j.fluid.2017.03.004

[7] Heywood J.B. Internal combustion engine fundamentals. New York, McGraw-Hill, 1988.

[8] Garrappa R., Lino P., Maione G., et al. Model optimization and flow rate prediction in electro-injectors of diesel injection systems. IFAC-PapersOnLine, 2016, vol. 49, no. 11, pp. 484--489. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2016.08.071

[9] Aquing M., Ciotta F., Creton B., et al. Composition analysis and viscosity prediction of complex fuel mixtures using a molecular-based approach. Energy Fuels, 2012, vol. 26, no. 4, pp. 2220--2230. DOI: https://doi.org/10.1021/ef300106z

[10] Munster A. Classical thermodynamics. London, Wiley-Interscience, 1970.

[11] Schaschke C., Fletcher I., Glen N. Density and viscosity measurement of diesel fuels at combined high pressure and elevated temperature. Processes, 2013, vol. 1, no. 2, pp. 30--48. DOI: https://doi.org/10.3390/pr1020030

[12] Redlich O., Kwong J.N. On the thermodynamics of solutions. An equation of state. Fugacities of gaseous solutions. Chem. Rev., 1949, vol. 44, no. 1, pp. 233--244. DOI: https://doi.org/10.1021/cr60137a013

[13] Жердев А.А. Определение термодинамических свойств хладагентов с помощью уравнения состояния Редлиха --- Квонга. Вестник Международной академии холода, 2002, № 2, с. 30--32.

[14] Bychkov E.G., Makarov B.A., Yakovlev V.I., et al. Comparative analysis of equations of state for calculating the thermodynamic properties of a vapor-liquid multi-component refrigerant blend comprising the working fluid of a low-temperature throttling refrigeration unit. Chem. Petrol Eng., 2020, vol. 56, no. 5-6, pp. 393--402. DOI: https://doi.org/10.1007/s10556-020-00786-9

[15] Benedict M., Webb G.B., Rubin L.C. An empirical equation for thermodynamic properties of light hydrocarbons and their mixtures. Methane, ethane, propane and n-butane. J. Chem. Phys., 1940, vol. 8, no. 4, art. 334. DOI: https://doi.org/10.1063/1.1750658

[16] Masoudi M., Miri R., Hellevang H., et al. Modified PC-SAFT characterization technique for modeling asphaltenic crude oil phase behavior. Fluid Phase Equilib., 2020, vol. 513, art. 112545. DOI: https://doi.org/10.1016/j.fluid.2020.112545

[17] Александров И.С., Григорьев Б.А., Герасимов А.А. Прогнозирование фазового поведения технологических фракций нефти на основе нового PC-SAFT уравнения состояния с использованием искусственных нейронных сетей. Вести газовой науки, 2018, № 5, с. 4--11.

[18] Shi F., Chen J. New state equation for biodiesel derived from molecular adiabatic compressibility under high pressure and high temperature. Fuel, 2015, vol. 158, pp. 582--590. DOI: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2015.06.002

[19] Tammann G. Ueber die Beziehungen zwischen den inneren Kraften und Eigen-schaften der Losungen. Leipzig, L. Voss, 1907.

[20] Rowane A.J., Babu M.V., Rokni H.B., et al. A. Effect of composition, temperature and pressure on the viscosities and densities of three diesel fuels. J. Chem. Eng. Data., 2019, vol. 64, no. 12, pp. 5529--5547. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.jced.9b00652

[21] Kolev N.I. Thermodynamic and transport properties of diesel fuel. In: Multi-phase flow dynamics 4. Berlin, Heidelberg, Springer-Verlag, 2012, pp. 293--327. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-642-20749-5_13

[22] Kielczynski P., Ptasznik S., Szalewski M., et al. Thermophysical properties of rapeseed oil methyl esters (RME) at high pressures and various temperatures evaluated by ultrasonic methods. Biomass Bioenergy, 2017, vol. 107, pp. 113--121. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2017.09.015

[23] Peleties F., Segovia J.J., Trusler J.P.M., et al. Thermodynamic properties and equation of state of liquid di-isodecyl phthalate at temperature between (273 and 423) K and at pressures up to 140 MPa. J. Chem. Thermodyn., 2010, vol. 42, no. 5, pp. 631--639. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jct.2009.12.002

[24] Cole R.H. Underwater explosions. Princeton, Princeton Univercity Press, 1948.

[25] Zhao J., Grekhov L., Onishchenko D., et. al. Methods for calculating fuel heating in electrically controlled injectors of Common Rail diesel systems. Fuel, 2021, vol. 305, art. 121526. DOI: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2021.121526

[26] Грехов Л.В. Научные основы разработки систем топливоподачи в цилиндры двигателей внутреннего сгорания. Автореф. дис. ... д-ра техн. наук. М., МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999.

[27] Zhao J., Lu X., Grekhov L. Experimental study on the fuel heating at the nozzle of the high pressure common-rail injector. Fuel, 2021, vol. 283, art. 119281. DOI: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2020.119281

[28] Грехов Л.В., Неговора А.В., Давлетов А.Ф. Экспериментальное определение характеристики впрыскивания при стендовых испытаниях дизельной топливной аппаратуры. Грузовик, 2012, № 10, с. 34--40.

[29] Bosch W. Der Einspritzgesetz-indikator, ein neues Messgerat zur direkten Bestimmung des Einspritzgesetzes von Einzeleinspritzungen. Motortechn, 1964, no. 7, рp. 268--282.

[30] Daridon J.L., Lagrabette A., Lagourette B. Speed of sound, density and compressibilities of heavy synthetic cuts from ultrasonic measurements under pressure. J. Chem. Thermodyn., 1998, vol. 30, no. 5, pp. 607--623. DOI: https://doi.org/10.1006/jcht.1997.0330

[31] Dzida M., Prusakiewicz P. The effect of temperature and pressure on the physicochemical properties of petroleum diesel oil and biodiesel fuel. Fuel, 2008, vol. 87, no. 10-11, pp. 1941--1948. DOI: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2007.10.010

[32] Giuliano Albo P.A., Lago S. Experimental speed-of-sound measurements of pure fatty acids methyl ester, mineral diesel and blends in a wide range of temperature and for pressures up to 300 MPa. Fuel, 2014, vol. 115, pp. 740--748. DOI: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2013.07.103

[33] Кадиата Э.Ч., Славуцкий В.М., Курапин А.В. и др. Сжимаемость пальмового масла и его смесей с дизельным топливом. Вестник Иркутского государственного технического университета, 2018, т. 22, № 10, с. 178--188. DOI: https://doi.org/10.21285/1814-3520-2018-10-178-188

[34] Alptekin E., Canakci M. Determination of the density and the viscosities of bio-diesel-diesel fuel blends. Renew. Energy, 2008, vol. 33, no. 12, pp. 2623--2630. DOI: https://doi.org/10.1016/j.renene.2008.02.020

[35] Safarov J., Ashurova U., Ahmadov B., et al. Thermophysical properties of Diesel fuel over a wide range of temperatures and pressures. Fuel, 2018, vol. 216, pp. 870--889. DOI: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2017.11.125

[36] Dzida M., Zak A., Ernst S. Thermodynamic and acoustic properties of binary mixtures of alcohols and alkanes. I. Speed of sound in (ethanol+n-heptane) under elevated pressures. J. Chem. Thermodyn., 2005, vol. 37, no. 5, pp. 405--414. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jct.2004.10.001

[37] Torres-Jimenez E., Dorado M.P., Kegl B. Experimental investigation on injection characteristics of bioethanol-diesel fuel and bioethanol-biodiesel blends. Fuel, 2011, vol. 90, no. 5, pp. 1968--1979. DOI: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2010.11.042

[38] Davila M.J., Gedanitz H., Span R. Speed of sound measurements of liquid C1--C4 alkanols. J. Chem. Thermodyn., 2016, vol. 93, pp. 157--163. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jct.2015.10.006

[39] Dashti H.H., Riazi M.R. Acoustic velocities in petroleum fluids: measurement and prediction. J. Pet. Sc. Eng., 2014, vol. 124, pp. 94--104. DOI: https://doi.org/10.1016/j.petrol.2014.10.013

[40] Habrioux M., Nasri D., Daridon L. Measurement of speed of sound, density compressibility and viscosity in liquid methyl laurate and ethyl laurate up to 200 MPa by using acoustic wave sensors. J. Chem. Thermodyn., 2018, vol. 120, pp. 1--12. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jct.2017.12.020

[41] Tay W.J., Trusler J.P.M. Density, sound speed and derived thermophysical properties of n-nonane at temperatures between (283.15 and 473.15) K and at pressures up to 390 MPa. J. Chem. Thermodyn., 2018, vol. 124, pp. 107--122. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jct.2018.04.019

[42] Dhakal S., Tay W.J., Saif al-Ghafri Z.S., et al. Thermodynamic properties of liquid toluene from speed-of-sound measurements at temperatures from 283.15 K to 473.15 K and at pressures up to 390 MPa. Int. J. of Thermophys., 2021, vol. 42, no. 12, art. 169. DOI: https://doi.org/10.1007/s10765-021-02917-7

[43] Catania A.E., Ferrari A., Spessa E. Temperature variations in the simulation of high pressure injection-system transient flows under cavitation. Int. J. Heat Mass Transf., 2008, vol. 51, no. 7-8, pp. 2090--2107. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2007.11.032

[44] Ndiaye E.H.I., Bazile J.P., Nasri D., et al. High pressure thermophysical characterization of fuel used for testing and calibrating diesel injection systems. Fuel, 2012, vol. 98, pp. 288--294. DOI: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2012.04.005

[45] Lowe A.R., Jasiok B., Melent’ev V.V., et al. High-temperature and high-pressure thermophysical property measurements and thermodynamic modelling of an international oil standard: RAVENOL diesel rail injector calibration fluid. Fuel Process. Technol., 2020, vol. 199, art. 106220. DOI: https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2019.106220

[46] Chorazewski M., Dergal F., Sawaya T., et al. Thermophysical properties of Nor-mafluid (ISO 4113) over wide pressure and temperature ranges. Fuel, 2013, vol. 105, pp. 440--450. DOI: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2012.05.059

[47] Freitas S.V.D., Santos A., Moita M.-L.C.J., et al. Measurement and prediction of speeds of sound of fatty acid ethyl esters and ethylic biodiesels. Fuel, 2013, vol. 108, pp. 840--845. DOI: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2013.02.041

[48] Lin C.W., Trusler J.P.M. The speed of sound and derived thermodynamic properties of pure water at temperatures between (253 and 473) K and at pressures up to 400 MPa. J. Chem. Phys., 2012, vol. 136, no. 9, art. 094511. DOI: https://doi.org/10.1063/1.3688054

[49] Shchamialiou A.P., Samuilov V.S., Mosbakh F.M., et al. Densities, speed of sound, and derived thermodynamic properties of toluene, tetradecane, and 1-chlorohexane in the compressed liquid region. Fluid Phase Equilib., 2020, vol. 207, art. 112427. DOI: https://doi.org/10.1016/j.fluid.2019.112427

[50] Peleties F., Segovia J.J., Trusler J.P.M., et al. Thermodynamic properties and equation of state of liquid di-isodecyl phthalate at temperature between (273 and 423) K and at pressures up to 140 MPa. J. Chem. Thermodyn., 2010, vol. 42, no. 5, pp. 631--639. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jct.2009.12.002

[51] Грехов Л.В., Габитов И.И., Неговора А.В. Конструкция, расчет и технический сервис топливоподающих систем дизелей. М., Изд-во Легион-Автодата, 2013.

[52] Фомин Ю.Я. Топливная аппаратура судовых дизелей. М., Транспорт, 1966.