冬季汽車怠速排氣管凝水溫度分布實(shí)驗(yàn)研究

鮑 宇，田 芳，安永東，吳麗娜，齊益強(qiáng)，臧 杰，宋萬會

（1.黑龍江工程學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150050；2.哈爾濱龍晟廣汽豐田汽車銷售有限公司，黑龍江 哈爾濱150040）

在能源危機(jī)與環(huán)境污染日益嚴(yán)重的情況下，許多國家開始研究車用代用燃料，用含水乙醇來部分代替汽油作為內(nèi)燃機(jī)燃料已被廣泛的研究和應(yīng)用。乙醇汽油作為一種新型的清潔燃料，是當(dāng)今世界上可再生能源的發(fā)展重點(diǎn)，符合我國能源替代戰(zhàn)略和可再生能源的發(fā)展方向，在我國具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。由于乙醇燃燒時(shí)產(chǎn)生的水蒸汽較其他燃料多，尤其是北方冬季氣溫低，汽車排氣管中的水分會隨尾氣一起排出，遇低溫在路面會形成薄冰面，大大降低了路面附著系數(shù)，導(dǎo)致制動(dòng)性能下降，尤其在坡路地段和交叉路口極易引發(fā)交通事故，造成人員與經(jīng)濟(jì)損失。國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者大多注重乙醇汽油帶來的節(jié)能減排效應(yīng)，而忽視了北方冬季車輛使用乙醇汽油帶來的排水結(jié)冰問題。目前國內(nèi)學(xué)者主要針對乙醇汽油冬季使用結(jié)冰性能，采用路試的方法進(jìn)行研究。

1 汽車排氣凝水結(jié)冰機(jī)理分析

汽油的主要成分是辛烷，在理想狀態(tài)下汽油完全燃燒可用如下化學(xué)方程式表示

1.1 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放成分分析

發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃燒環(huán)境比較復(fù)雜，汽油進(jìn)行不完全燃燒，汽車尾氣中含有上百種不同的化合物，其中的污染物有固體懸浮微粒、一氧化碳、二氧化碳、碳?xì)浠衔?、氮氧化合物、鉛及硫氧化合物等。汽車尾氣中的水是一種可以在液態(tài)、氣態(tài)和固態(tài)之間轉(zhuǎn)化的物質(zhì)。其首先是以氣態(tài)形式出現(xiàn)的，水蒸氣，簡稱水汽或蒸汽，是水（H2O）的氣體形式。水蒸氣不是能源，也不是二次能源，更不是再生能源，水蒸氣只是水以氣態(tài)方式存在的一種表現(xiàn)。汽車尾氣通過汽車排氣管排到外界環(huán)境中，水在排氣管中存在的形式分為純氣相、氣－液二相及純液相，水蒸氣在凝結(jié)過程中產(chǎn)生的熱能是可以利用的。

1.2 水的凝結(jié)機(jī)理

物質(zhì)由氣相轉(zhuǎn)變?yōu)橐合嗟倪^程叫做凝結(jié)。凝結(jié)過程中可以呈現(xiàn)兩種狀態(tài)，珠狀凝結(jié)和膜狀凝結(jié)。珠狀凝結(jié)指蒸汽發(fā)生凝結(jié)時(shí)所產(chǎn)生的凝結(jié)液不能潤濕冷卻壁面，而只能在壁面的許多點(diǎn)上形成一顆顆小液珠的一種凝結(jié)換熱現(xiàn)象。其特點(diǎn)是:依附于壁面上的大量小液珠在界面力作用下并不連成液膜，當(dāng)逐漸長大到一定尺寸后，由于重力的影響超過了界面力，會隨機(jī)沿壁面滾下；滾下的液珠一方面與相遇的液珠匯合而成較大的液滴，同時(shí)又清掃了沿途所有液珠，無液珠的壁面供周圍蒸汽繼續(xù)產(chǎn)生凝結(jié)。膜狀凝結(jié)亦稱“膜層凝結(jié)”，指蒸汽發(fā)生凝結(jié)時(shí)所產(chǎn)生的凝結(jié)液能潤濕冷卻壁面，且在壁面上形成一層完整液膜的一種凝結(jié)換熱現(xiàn)象。其特點(diǎn)是:固體壁面總是被凝結(jié)液的一薄層液膜所覆蓋，這一層液膜的形成必然將蒸汽與冷卻壁面彼此隔開，使蒸汽的凝結(jié)過程只發(fā)生在液膜表面上，凝結(jié)時(shí)所放出的汽化潛熱必須通過液膜才能傳遞給冷卻壁面。

在蒸汽凝結(jié)的最初階段形成的液滴很小，相應(yīng)的飽和蒸汽的氣壓會很大，甚至出現(xiàn)過飽和蒸汽現(xiàn)象，但汽車排氣管中存在的汽油不完全燃燒產(chǎn)物，存在塵埃和雜質(zhì)等小微粒，起著凝結(jié)核的作用。當(dāng)這些微粒表面凝上一些液體后，會形成半徑較大的液滴。當(dāng)蒸汽與溫度低于飽和溫度的壁面接觸時(shí)，蒸汽就會在壁面上凝結(jié)為液體。潤濕性液體（液體對固體壁面的附著能力和液體能否潤濕壁面有關(guān)，邊角θ＜90°的液體叫做潤濕性液體，如水θ＝50°）的蒸汽凝結(jié)時(shí)，在壁面上形成完整的液膜，把冷卻面和蒸汽隔開。蒸汽凝結(jié)時(shí)所放出的潛熱必須通過液膜才能傳給壁面，膜層凝結(jié)時(shí)，由于受重力場影響，凝結(jié)的液體沿著冷卻壁面向下運(yùn)動(dòng)。由于冬季汽車排氣管排出的水是沿排氣管末端成滴液狀，怠速等某些工況下甚至為細(xì)小水流狀排出，由于排氣管的材質(zhì)容易被液體覆蓋，分析汽車排氣管內(nèi)水蒸氣凝結(jié)成液態(tài)水為膜狀凝結(jié)。在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，溫度為0℃時(shí)冰、水、水蒸汽都可能存在，北方冬季汽車尾氣排出的水在排氣管末端暴露在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，0℃以下即完全凝固為水的固態(tài)形式，形成冰。

1.3 水的冷凝換熱

水的冷凝換熱是指汽車尾氣在排氣管內(nèi)的水蒸氣含有大量不凝氣體，導(dǎo)致對流凝結(jié)換熱。當(dāng)混合氣體的露點(diǎn)溫度高于排氣管壁面溫度時(shí)，緊靠壁面處的蒸汽分子開始凝結(jié)，并形成一層凝結(jié)液膜。隨著蒸汽分子的凝結(jié)，不凝氣體的分壓力增大，在凝結(jié)液膜外側(cè)形成一個(gè)濃度邊界層。遠(yuǎn)離壁面的蒸汽分子借助擴(kuò)散穿過這層氣膜層進(jìn)行凝結(jié)，氣膜構(gòu)成了混合氣體中水蒸氣凝結(jié)的主要熱阻，同時(shí)隨著蒸汽的不斷冷凝，不凝氣體含量越來越高，蒸氣邊界層的溫度梯度也會越來越明顯，傳熱阻力也會越來越大。

汽車排氣管內(nèi)凝結(jié)液膜與混合氣體的換熱由潛熱傳遞和顯熱傳遞兩部分組成。這兩部分熱量靠液膜的導(dǎo)熱傳給排氣管壁面，混合氣體向氣液界面?zhèn)鬟f熱量是一種對流換熱和凝結(jié)換熱同時(shí)存在的復(fù)雜過程。假設(shè)凝結(jié)液在排氣管過冷壁面上形成連續(xù)液膜，并將混合氣體與過冷壁面完全隔離，且混合氣體傳遞給氣液界面的總熱量全部以導(dǎo)熱方式通過液膜傳遞給冷壁面，冷凝換熱可表示為

式中:qi為氣－液界面上的總熱流通量，ag0為在氣－液界面上當(dāng)Stefan流的速度趨于0時(shí)混合氣體與界面間的對流換熱系數(shù)，ΔT0為混合氣體的有效換熱溫差。

式中:a為蒸汽側(cè)冷凝換熱系數(shù)，qw為過冷壁面熱流通量，Tg為主流混合氣體總熱流通量，Tw為過冷壁面的溫度。

混合氣體傳遞給氣－液界面的總熱量全部以導(dǎo)熱方式通過液膜傳遞給冷壁面

所以

可以看出在其他條件不變的情況下，混合氣體有效換熱溫差越大，蒸汽側(cè)的冷凝換熱系數(shù)越大，冷凝換熱增加。

2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)處理

國內(nèi)學(xué)者對乙醇汽油冬季使用的研究主要是通過探究車輛在設(shè)定工況條件下，排氣管中隨廢氣排出的水的含量以及排氣管中各點(diǎn)的溫度變化情況，分析燃燒后的尾氣溫度分布，實(shí)驗(yàn)多為車輛道路測試。采用上述方法測試，發(fā)現(xiàn)存在低溫環(huán)境不穩(wěn)定、測試數(shù)據(jù)分析不及時(shí)等問題，為了更好地確定針對冬季汽車排氣結(jié)冰的實(shí)驗(yàn)測試研究方法，設(shè)定低溫實(shí)驗(yàn)室作為研究環(huán)境，提供發(fā)動(dòng)機(jī)臺架以及實(shí)車底為測試研究的主要方法，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。低溫實(shí)驗(yàn)室具有溫度恒定可調(diào)節(jié)性，便于測試研究數(shù)據(jù)的分析，同時(shí)低溫實(shí)驗(yàn)環(huán)境方便連接各種測試分析儀器，便于穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集以及實(shí)時(shí)處理。目前低溫環(huán)境實(shí)驗(yàn)室配套了發(fā)動(dòng)機(jī)測功機(jī)以及燃燒分析儀器，本低溫實(shí)驗(yàn)室已申請國家專利，專利號為ZL201420211043.X。

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺

為研究燃乙醇汽油車排氣管內(nèi)部溫度以及汽車排氣管末端滴水量隨不同大氣環(huán)境溫度及汽車行駛速度而發(fā)生變化的情況，考慮到冬季室外環(huán)境溫度隨時(shí)間與空間的變化等因素，實(shí)驗(yàn)初步選擇在低溫實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分臺架實(shí)驗(yàn)以及整車實(shí)驗(yàn)（見圖1）。實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括DA465Q發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺（見圖2）、發(fā)動(dòng)機(jī)分析儀、AVL AMA i60雙路直采排放分析儀以及AVL SPC472部分流顆粒物采樣系統(tǒng)等。本次實(shí)驗(yàn)測試首先對結(jié)冰現(xiàn)象嚴(yán)重的怠速工況進(jìn)行測試。

圖1 低溫實(shí)驗(yàn)室

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為進(jìn)行排氣管內(nèi)部溫度測定實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)前在排氣管上選取6個(gè)測試點(diǎn)安裝溫度傳感器，在進(jìn)行溫度測量實(shí)驗(yàn)時(shí)，將溫度傳感器通過固定裝置安裝在汽車排氣管上。6個(gè)溫度傳感器分別布置在避開主、副消音器的排氣管前段、中段和末段的彎管上，從排氣管入口至出口方向，6個(gè)傳感器的順序依次為1～6號，1號測試點(diǎn)距排氣歧管聚合處約1m，6號測點(diǎn)在排氣尾管末端附近，其余各點(diǎn)的設(shè)計(jì)安裝位置分布如圖3所示。

圖2 DA465Q發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺

圖3 溫度傳感器安裝

為進(jìn)行排氣尾管滴水量的測定，實(shí)驗(yàn)前在排氣尾管末端布置了接水裝置，這樣可保證在每個(gè)階段的實(shí)驗(yàn)過程中，汽車尾氣中的水分可以全部流入接水裝置。

2.3 實(shí)驗(yàn)處理分析

怠速實(shí)驗(yàn)時(shí)，將低溫實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境溫度分別調(diào)節(jié)為－20℃、－25℃、－30℃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后怠速運(yùn)行一段時(shí)間，直至達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作溫度，開始實(shí)驗(yàn)。讀取傳感器LED屏幕所顯示的數(shù)據(jù)，共測試3次，每次實(shí)驗(yàn)時(shí)間分別為15min，30min，60min。記錄得到排氣管內(nèi)部六點(diǎn)位置溫度分布數(shù)據(jù)，匯總測試數(shù)據(jù)，對照分析排氣管在怠速工況下的溫度變化，如圖4所示。

從圖4可以看出隨著外界環(huán)境溫度降低，根據(jù)傳感器布置位置，從發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管至排氣管末端，三條溫度曲線的溫度下降趨勢一致。100℃的區(qū)域在測試點(diǎn)傳感器3的位置左右，即為水蒸氣凝結(jié)的臨界區(qū)域。距排氣管末端3cm處，即測試點(diǎn)傳感器6的位置附近，溫度降至40℃，所以在排氣管中水應(yīng)以氣－液二相狀態(tài)存在，經(jīng)排氣管流出，溫度低于0℃會迅速結(jié)冰。

圖4 各測試點(diǎn)傳感器溫度變化

3 結(jié)束語

通過實(shí)驗(yàn)確定汽車尾氣中水分與氣體完全分離的臨界點(diǎn)集中在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管消音器區(qū)域，因此，可以對消音器進(jìn)行改裝，設(shè)計(jì)隔熱以及分流裝置。本文基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，為減少汽車尾氣凝水結(jié)冰，可以在排氣管末端設(shè)計(jì)水分吸收裝置，使用高吸水性保溫材料，并且定期更換，以達(dá)到減少尾氣排水結(jié)冰的目的。本實(shí)驗(yàn)只針對發(fā)動(dòng)機(jī)臺架低溫運(yùn)行進(jìn)行分析，未考慮汽車正常行駛的環(huán)境因素以及工況、負(fù)荷變化對汽車運(yùn)行尾氣排放數(shù)據(jù)的影響，今后將繼續(xù)使用實(shí)驗(yàn)車按上述方法實(shí)驗(yàn)，對比分析結(jié)論，形成具體技術(shù)方案。本實(shí)驗(yàn)方案可行，數(shù)據(jù)有效，可以在一定條件下為新型汽車排氣裝置設(shè)計(jì)以及改進(jìn)提供參考，為未來控制冬季汽車尾氣結(jié)冰提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

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