基于排氣溫度的汽油車排氣管滴水現象分析

崔淑華，宋寰宇

(東北林業大學 交通學院，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冰現象引起廣泛關注，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行簡單測試，在環境溫度為-15～-17℃、車速為0～20 km/h(發動機轉速為1 000 r/min左右)的條件下，車輛在繁華路段行駛10 min時排氣管尾部的接水量約為270 mL；當車速為0～40 km/h(發動機轉速為1 200 r/min左右)條件下，車輛在城市環橋路段行駛12 min時排氣管尾部的接水量約為260 mL；車輛原地怠速(發動機轉速為800 r/min左右)5 min時的排氣管尾部接水量為100 mL。在城市交通狀況下，高峰時段的低車速、停車階段的發動機怠速運轉等車輛行駛因素，造成車輛排氣管滴水現象加劇，因此，城市道路在公交站臺附近、上坡坡道、轉彎處、交叉口等處路面結冰現象突出[1-2]。

1 汽油發動機燃料燃燒水生成量的理論計算

以下就發動機分別燃燒汽油和乙醇汽油進行水生成量的理論計算與分析。

1.1 汽油燃燒水生成量計算

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

以汽油的密度為0.725 g/mL為例，利用質量守恒原理計算1 L汽油充分燃燒時理論生成水的量：

故1 L汽油充分燃燒理論上可生成質量為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生0.976 kg水。

根據上述理論計算分析，1 L汽油完全燃燒理論上生成水的量略高于乙醇汽油。

2 發動機燃燒乙醇汽油的排氣溫度試驗

為分析發動機排氣溫度的變化，本文在特定的試驗系統上進行了發動機排氣溫度測試試驗。

2.1 試驗系統及方案

試驗采用排量為1.6 L的發動機，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

啟動發動機，通過發動機測控系統控制發動機轉速分別為900、1 500、2 000、2 500和3 000 r/min。在上述各轉速下，待各點溫度穩定后，記錄不同轉速下各測量點的溫度t1～t9。如圖2所示為發動機轉速為900 r/min時，排氣管內各點溫度；如圖3所示為發動機轉速分別為900、1 500、2 000、2 500和3 000 r/min時，各相鄰測量點之間溫度降曲線。

表1 傳感器安裝位置

圖2 發動機轉速為900 r/min時各測量點溫度曲線

3 排氣溫度試驗數據分析

(1)通過圖2可以看出，當發動機轉速在900 r/min運轉，排氣管內各點溫度穩定時，從第6個測量點以后，即氣體經過副消音器后，由排氣管中部流經主消音器至排氣管尾部，氣體溫度均低于100℃變化。當氣體溫度低于100℃時，排氣管內水蒸氣會發生液化現象生成水滴，隨氣體流出管外。

(2)根據圖3，測量點t1～t2間溫度降值最大，即當氣體流經三元催化轉化器后，存較明顯的降溫過程。三元催化轉化器可將尾氣中含有的CO、HC和NOx等有害氣體轉變為CO2、H2O和N2。三元催化轉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。尾氣流經該涂層時，在一定的溫度下發生氧化還原反應，包括：

圖3 發動機不同轉速下排氣管各相鄰測量點之間溫度降曲線

反應熱向載體和流體釋放，由于對流換熱及反應熱的產生，使固體內部發生熱傳導，排氣管體形成一定的溫度分布，并通過載體與外界環境進行熱交換[3-4]。

(3)測量點2～5溫度降值相當。測量點2和5處于排氣管前部，位于三元催化轉化器與副消音器之間的部分，兩點間距870 mm，是排氣管結構中最長的部分。兩點間無明顯結構變化，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)根據圖3可以看出，t6～t7溫度降兩側均有峰值，即t5～t6、t7～t8，同時t6～t7處于低谷。在氣體與排氣管壁對流換熱的基礎上，主要由于排氣管結構變化導致。測量點5、6和測量點7、8之間存在體積明顯大于排氣管的副、主消音器。經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為管內氣體壓力；T=273.15為絕對溫度；t為氣體在截面處的實際溫度[5]。

截面積與氣體流動速度的關系為：

(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)可以得出管內氣體流速v與圓管截面積成反比例關系。式1中，當圓管內氣體流量保持不變的情況下，截面積A增大的同時，氣體流速v減小，管內壓力P降低，所以管內溫度t降低才能保證流量Q值恒定。故當氣體在排氣管內流動經過消音器時，突變的截面積可增強管內溫度降低程度。

4 結 論

等體積的汽油和E10乙醇汽油在相同情況下完全燃燒，理論上發動機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象與乙醇汽油中乙醇含量無關。發動機工作時從氣缸排出的氣體溫度可達800℃甚至更高，氣體由排氣歧管流出，經排氣管排出車外，這一過程中氣體經過三元催化轉化器、副消音器和主消音器等結構。根據上述試驗和分析可知，這種結構的存在和氣固之間的熱傳導現象使氣體溫度急劇下降，加之冬季外界環境溫度低，更加劇了氣體溫度下降的程度。當高溫氣體在排氣管內某部位溫度降至100℃以下時，部分水蒸氣會冷凝成水滴附在排氣管內壁上，隨氣體流動排出車外。

【參 考 文 獻】

[1]臧 杰.乙醇汽油車冬季滴水問題研究[J].內燃機，2010(3)：16-18,34.

[2]張 莉，臧 杰，劉慶國.寒地乙醇汽油車尾氣水分的控制措施探討[J].交通標準化，2009(202)：189-190.

[3]蔡銳彬，陳子健，楊建威，等.車用汽油機排氣溫度特性的研究[J].華南理工大學學報(自然科學報)，1999，27(70)：77-80.

[4]王 翔，王建昕.汽車尾氣催化器溫度場的研究[J].清華大學學報(自然科學版)，2002，42(5)：669-672.

[5]郭仁東，胡 冰，王立捷，等.圓管流體平均流速與管道半徑的關系[J].沈陽大學學報，2008，20(1)：1-3.

[6]鄧康耀，顧宏中.排氣管中二維非定常流動的試驗研究[J].內燃機學報，2001，19(4)：387-391.

[7]李慧珍，何雅玲，陶文銓.流體溫度正確測試方法的實驗演示[J].中國電力教育(上)，2009(4)：107-110.

[8]崔淑華，牛鑫淼.發動機燃燒乙醇汽油的排氣溫度試驗與分析[J].森林工程，2013，29(2)：115-116.