基于排氣溫度的汽油車排氣管滴水現(xiàn)象分析

崔淑華，宋寰宇

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，哈爾濱 150040)

近年來，由于車輛排氣管滴水造成的冬季北方城市道路結(jié)冰現(xiàn)象引起廣泛關(guān)注，筆者在一輛排量為1.6 L的家用轎車上安裝自制的接水裝置進(jìn)行簡單測試，在環(huán)境溫度為-15～-17℃、車速為0～20 km/h(發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min左右)的條件下，車輛在繁華路段行駛10 min時(shí)排氣管尾部的接水量約為270 mL；當(dāng)車速為0～40 km/h(發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 200 r/min左右)條件下，車輛在城市環(huán)橋路段行駛12 min時(shí)排氣管尾部的接水量約為260 mL；車輛原地怠速(發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為800 r/min左右)5 min時(shí)的排氣管尾部接水量為100 mL。在城市交通狀況下，高峰時(shí)段的低車速、停車階段的發(fā)動機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)等車輛行駛因素，造成車輛排氣管滴水現(xiàn)象加劇，因此，城市道路在公交站臺附近、上坡坡道、轉(zhuǎn)彎處、交叉口等處路面結(jié)冰現(xiàn)象突出[1-2]。

1 汽油發(fā)動機(jī)燃料燃燒水生成量的理論計(jì)算

以下就發(fā)動機(jī)分別燃燒汽油和乙醇汽油進(jìn)行水生成量的理論計(jì)算與分析。

1.1 汽油燃燒水生成量計(jì)算

汽油的化學(xué)成分主要由C4～C12的各族烴類物質(zhì)和少量硫化物組成的混合物，其完全燃燒的主要產(chǎn)物是CO2和H2O。分析時(shí)通常假設(shè)汽油的平均分子式為C8H17，其燃燒化學(xué)方程式為：

以汽油的密度為0.725 g/mL為例，利用質(zhì)量守恒原理計(jì)算1 L汽油充分燃燒時(shí)理論生成水的量：

故1 L汽油充分燃燒理論上可生成質(zhì)量為0.982 kg的水。

1.2 乙醇汽油燃燒水分生成量

E10乙醇汽油中乙醇的體積含量為10％，1 L乙醇汽油充分燃燒，汽油部分生成水量為m( H2O)汽=0.982×0.9=0.883 8 kg。乙醇燃燒化學(xué)方程式為：

。

式中：MrC2H5OH=46，ρC2H5OH=0.789 3 g/mL，取VC2H5OH=1 L，則mH2O=0.926 6 kg。乙醇部分燃燒生成水量m(H2O)乙=0.926 6×0.1=0.092 66 kg。故汽油部分燃燒和乙醇部分燃燒生成水總量m(H2O)汽+m(H2O)乙=0.883 8+0.092 66=0.976 kg，即1 L乙醇汽油充分燃燒理論上產(chǎn)生0.976 kg水。

根據(jù)上述理論計(jì)算分析，1 L汽油完全燃燒理論上生成水的量略高于乙醇汽油。

2 發(fā)動機(jī)燃燒乙醇汽油的排氣溫度試驗(yàn)

為分析發(fā)動機(jī)排氣溫度的變化，本文在特定的試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行了發(fā)動機(jī)排氣溫度測試試驗(yàn)。

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)及方案

試驗(yàn)采用排量為1.6 L的發(fā)動機(jī)，在其排氣管上每隔一定距離安裝溫度傳感器，如圖1所示；溫度傳感器編號及位置說明見表1。

圖1 溫度傳感器在排氣管上安裝位置示意圖

啟動發(fā)動機(jī)，通過發(fā)動機(jī)測控系統(tǒng)控制發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速分別為900、1 500、2 000、2 500和3 000 r/min。在上述各轉(zhuǎn)速下，待各點(diǎn)溫度穩(wěn)定后，記錄不同轉(zhuǎn)速下各測量點(diǎn)的溫度t1～t9。如圖2所示為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為900 r/min時(shí)，排氣管內(nèi)各點(diǎn)溫度；如圖3所示為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速分別為900、1 500、2 000、2 500和3 000 r/min時(shí)，各相鄰測量點(diǎn)之間溫度降曲線。

表1 傳感器安裝位置

圖2 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為900 r/min時(shí)各測量點(diǎn)溫度曲線

3 排氣溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

(1)通過圖2可以看出，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在900 r/min運(yùn)轉(zhuǎn)，排氣管內(nèi)各點(diǎn)溫度穩(wěn)定時(shí)，從第6個(gè)測量點(diǎn)以后，即氣體經(jīng)過副消音器后，由排氣管中部流經(jīng)主消音器至排氣管尾部，氣體溫度均低于100℃變化。當(dāng)氣體溫度低于100℃時(shí)，排氣管內(nèi)水蒸氣會發(fā)生液化現(xiàn)象生成水滴，隨氣體流出管外。

(2)根據(jù)圖3，測量點(diǎn)t1～t2間溫度降值最大，即當(dāng)氣體流經(jīng)三元催化轉(zhuǎn)化器后，存較明顯的降溫過程。三元催化轉(zhuǎn)化器可將尾氣中含有的CO、HC和NOx等有害氣體轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2、H2O和N2。三元催化轉(zhuǎn)化器的載體部分是一塊多孔陶瓷，它表面覆蓋一層鉑、銠、鈀等貴金屬。尾氣流經(jīng)該涂層時(shí)，在一定的溫度下發(fā)生氧化還原反應(yīng)，包括：

圖3 發(fā)動機(jī)不同轉(zhuǎn)速下排氣管各相鄰測量點(diǎn)之間溫度降曲線

反應(yīng)熱向載體和流體釋放，由于對流換熱及反應(yīng)熱的產(chǎn)生，使固體內(nèi)部發(fā)生熱傳導(dǎo)，排氣管體形成一定的溫度分布，并通過載體與外界環(huán)境進(jìn)行熱交換[3-4]。

(3)測量點(diǎn)2～5溫度降值相當(dāng)。測量點(diǎn)2和5處于排氣管前部，位于三元催化轉(zhuǎn)化器與副消音器之間的部分，兩點(diǎn)間距870 mm，是排氣管結(jié)構(gòu)中最長的部分。兩點(diǎn)間無明顯結(jié)構(gòu)變化，排氣管壁通過對流換熱的方式從氣體獲得熱量后立刻沿排氣管方向以熱傳導(dǎo)方式將熱量傳遞出去。氣體溫度只通過這樣單一方式下降，故測量點(diǎn)2和5之間溫度降變化不明顯，氣體溫度在該段呈線性下降。

(4)根據(jù)圖3可以看出，t6～t7溫度降兩側(cè)均有峰值，即t5～t6、t7～t8，同時(shí)t6～t7處于低谷。在氣體與排氣管壁對流換熱的基礎(chǔ)上，主要由于排氣管結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致。測量點(diǎn)5、6和測量點(diǎn)7、8之間存在體積明顯大于排氣管的副、主消音器。經(jīng)過溫度壓力工況修正的氣體流量公式：

Q=vA(10P+1)(T+20) /(T+t)。

(1)

式中：v為氣體流速；A為排氣管截面積；P為管內(nèi)氣體壓力；T=273.15為絕對溫度；t為氣體在截面處的實(shí)際溫度[5]。

截面積與氣體流動速度的關(guān)系為：

(2)

式中：c為聲速。

公式(1)和公式(2)中v和Q為未知量，方程組封閉[6-8]。

由公式(2)可以得出管內(nèi)氣體流速v與圓管截面積成反比例關(guān)系。式1中，當(dāng)圓管內(nèi)氣體流量保持不變的情況下，截面積A增大的同時(shí)，氣體流速v減小，管內(nèi)壓力P降低，所以管內(nèi)溫度t降低才能保證流量Q值恒定。故當(dāng)氣體在排氣管內(nèi)流動經(jīng)過消音器時(shí)，突變的截面積可增強(qiáng)管內(nèi)溫度降低程度。

4 結(jié) 論

等體積的汽油和E10乙醇汽油在相同情況下完全燃燒，理論上發(fā)動機(jī)燃燒汽油所生成水的量略大于乙醇汽油，可以斷定汽車行駛過程中排氣管滴水現(xiàn)象與乙醇汽油中乙醇含量無關(guān)。發(fā)動機(jī)工作時(shí)從氣缸排出的氣體溫度可達(dá)800℃甚至更高，氣體由排氣歧管流出，經(jīng)排氣管排出車外，這一過程中氣體經(jīng)過三元催化轉(zhuǎn)化器、副消音器和主消音器等結(jié)構(gòu)。根據(jù)上述試驗(yàn)和分析可知，這種結(jié)構(gòu)的存在和氣固之間的熱傳導(dǎo)現(xiàn)象使氣體溫度急劇下降，加之冬季外界環(huán)境溫度低，更加劇了氣體溫度下降的程度。當(dāng)高溫氣體在排氣管內(nèi)某部位溫度降至100℃以下時(shí)，部分水蒸氣會冷凝成水滴附在排氣管內(nèi)壁上，隨氣體流動排出車外。

【參 考 文 獻(xiàn)】

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