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(jiǎn)單測(cè)試，在環(huán)境溫度為-15～-17℃、車速為0～20 km/h(發(fā)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(tái)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(dòng)機(jī)燃料燃燒水生成量的理論計(jì)算

以下就發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)燃燒乙醇汽油的排氣溫度試驗(yàn)

為分析發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)排氣溫度測(cè)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(dòng)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(hào)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(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，通過發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)控制發(fā)動(dòng)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(cè)量點(diǎn)的溫度t1～t9。如圖2所示為發(fā)動(dòng)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(dòng)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(cè)量點(diǎn)之間溫度降曲線。

表1 傳感器安裝位置

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為900 r/min時(shí)各測(cè)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(dòng)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(cè)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(huì)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(cè)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(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速下排氣管各相鄰測(cè)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(duì)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(cè)量點(diǎn)2～5溫度降值相當(dāng)。測(cè)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(zhǎng)的部分。兩點(diǎn)間無明顯結(jié)構(gòu)變化，排氣管壁通過對(duì)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(cè)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(duì)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(cè)量點(diǎn)5、6和測(cè)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(duì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(huì)冷凝成水滴附在排氣管內(nèi)壁上，隨氣體流動(dòng)排出車外。

【參 考 文 獻(xiàn)】

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

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

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

[4]王 翔，王建昕.汽車尾氣催化器溫度場(chǎng)的研究[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)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(guān)系[J].沈陽(yáng)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，20(1)：1-3.

[6]鄧康耀，顧宏中.排氣管中二維非定常流動(dòng)的試驗(yàn)研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2001，19(4)：387-391.

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

[8]崔淑華，牛鑫淼.發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒乙醇汽油的排氣溫度試驗(yàn)與分析[J].森林工程，2013，29(2)：115-116.