基于排气温度的汽油车排气管滴水现象分析

崔淑华，宋寰宇

(东北林业大学 交通学院，哈尔滨 150040)

近年来，由于车辆排气管滴水造成的冬季北方城市道路结冰现象引起广泛关注，笔者在一辆排量为1.6 L的家用轿车上安装自制的接水装置进行简单测试，在环境温度为-15～-17℃、车速为0～20 km/h(发动机转速为1 000 r/min左右)的条件下，车辆在繁华路段行驶10 min时排气管尾部的接水量约为270 mL；当车速为0～40 km/h(发动机转速为1 200 r/min左右)条件下，车辆在城市环桥路段行驶12 min时排气管尾部的接水量约为260 mL；车辆原地怠速(发动机转速为800 r/min左右)5 min时的排气管尾部接水量为100 mL。在城市交通状况下，高峰时段的低车速、停车阶段的发动机怠速运转等车辆行驶因素，造成车辆排气管滴水现象加剧，因此，城市道路在公交站台附近、上坡坡道、转弯处、交叉口等处路面结冰现象突出[1-2]。

1 汽油发动机燃料燃烧水生成量的理论计算

以下就发动机分别燃烧汽油和乙醇汽油进行水生成量的理论计算与分析。

1.1 汽油燃烧水生成量计算

汽油的化学成分主要由C4～C12的各族烃类物质和少量硫化物组成的混合物，其完全燃烧的主要产物是CO2和H2O。分析时通常假设汽油的平均分子式为C8H17，其燃烧化学方程式为：

以汽油的密度为0.725 g/mL为例，利用质量守恒原理计算1 L汽油充分燃烧时理论生成水的量：

故1 L汽油充分燃烧理论上可生成质量为0.982 kg的水。

1.2 乙醇汽油燃烧水分生成量

E10乙醇汽油中乙醇的体积含量为10％，1 L乙醇汽油充分燃烧，汽油部分生成水量为m( H2O)汽=0.982×0.9=0.883 8 kg。乙醇燃烧化学方程式为：

。

式中：MrC2H5OH=46，ρC2H5OH=0.789 3 g/mL，取VC2H5OH=1 L，则mH2O=0.926 6 kg。乙醇部分燃烧生成水量m(H2O)乙=0.926 6×0.1=0.092 66 kg。故汽油部分燃烧和乙醇部分燃烧生成水总量m(H2O)汽+m(H2O)乙=0.883 8+0.092 66=0.976 kg，即1 L乙醇汽油充分燃烧理论上产生0.976 kg水。

根据上述理论计算分析，1 L汽油完全燃烧理论上生成水的量略高于乙醇汽油。

2 发动机燃烧乙醇汽油的排气温度试验

为分析发动机排气温度的变化，本文在特定的试验系统上进行了发动机排气温度测试试验。

2.1 试验系统及方案

试验采用排量为1.6 L的发动机，在其排气管上每隔一定距离安装温度传感器，如图1所示；温度传感器编号及位置说明见表1。

图1 温度传感器在排气管上安装位置示意图

启动发动机，通过发动机测控系统控制发动机转速分别为900、1 500、2 000、2 500和3 000 r/min。在上述各转速下，待各点温度稳定后，记录不同转速下各测量点的温度t1～t9。如图2所示为发动机转速为900 r/min时，排气管内各点温度；如图3所示为发动机转速分别为900、1 500、2 000、2 500和3 000 r/min时，各相邻测量点之间温度降曲线。

表1 传感器安装位置

图2 发动机转速为900 r/min时各测量点温度曲线

3 排气温度试验数据分析

(1)通过图2可以看出，当发动机转速在900 r/min运转，排气管内各点温度稳定时，从第6个测量点以后，即气体经过副消音器后，由排气管中部流经主消音器至排气管尾部，气体温度均低于100℃变化。当气体温度低于100℃时，排气管内水蒸气会发生液化现象生成水滴，随气体流出管外。

(2)根据图3，测量点t1～t2间温度降值最大，即当气体流经三元催化转化器后，存较明显的降温过程。三元催化转化器可将尾气中含有的CO、HC和NOx等有害气体转变为CO2、H2O和N2。三元催化转化器的载体部分是一块多孔陶瓷，它表面覆盖一层铂、铑、钯等贵金属。尾气流经该涂层时，在一定的温度下发生氧化还原反应，包括：

图3 发动机不同转速下排气管各相邻测量点之间温度降曲线

反应热向载体和流体释放，由于对流换热及反应热的产生，使固体内部发生热传导，排气管体形成一定的温度分布，并通过载体与外界环境进行热交换[3-4]。

(3)测量点2～5温度降值相当。测量点2和5处于排气管前部，位于三元催化转化器与副消音器之间的部分，两点间距870 mm，是排气管结构中最长的部分。两点间无明显结构变化，排气管壁通过对流换热的方式从气体获得热量后立刻沿排气管方向以热传导方式将热量传递出去。气体温度只通过这样单一方式下降，故测量点2和5之间温度降变化不明显，气体温度在该段呈线性下降。

(4)根据图3可以看出，t6～t7温度降两侧均有峰值，即t5～t6、t7～t8，同时t6～t7处于低谷。在气体与排气管壁对流换热的基础上，主要由于排气管结构变化导致。测量点5、6和测量点7、8之间存在体积明显大于排气管的副、主消音器。经过温度压力工况修正的气体流量公式：

Q=vA(10P+1)(T+20) /(T+t)。

(1)

式中：v为气体流速；A为排气管截面积；P为管内气体压力；T=273.15为绝对温度；t为气体在截面处的实际温度[5]。

截面积与气体流动速度的关系为：

(2)

式中：c为声速。

公式(1)和公式(2)中v和Q为未知量，方程组封闭[6-8]。

由公式(2)可以得出管内气体流速v与圆管截面积成反比例关系。式1中，当圆管内气体流量保持不变的情况下，截面积A增大的同时，气体流速v减小，管内压力P降低，所以管内温度t降低才能保证流量Q值恒定。故当气体在排气管内流动经过消音器时，突变的截面积可增强管内温度降低程度。

4 结 论

等体积的汽油和E10乙醇汽油在相同情况下完全燃烧，理论上发动机燃烧汽油所生成水的量略大于乙醇汽油，可以断定汽车行驶过程中排气管滴水现象与乙醇汽油中乙醇含量无关。发动机工作时从气缸排出的气体温度可达800℃甚至更高，气体由排气歧管流出，经排气管排出车外，这一过程中气体经过三元催化转化器、副消音器和主消音器等结构。根据上述试验和分析可知，这种结构的存在和气固之间的热传导现象使气体温度急剧下降，加之冬季外界环境温度低，更加剧了气体温度下降的程度。当高温气体在排气管内某部位温度降至100℃以下时，部分水蒸气会冷凝成水滴附在排气管内壁上，随气体流动排出车外。

【参 考 文 献】

[1]臧 杰.乙醇汽油车冬季滴水问题研究[J].内燃机，2010(3)：16-18,34.

[2]张 莉，臧 杰，刘庆国.寒地乙醇汽油车尾气水分的控制措施探讨[J].交通标准化，2009(202)：189-190.

[3]蔡锐彬，陈子健，杨建威，等.车用汽油机排气温度特性的研究[J].华南理工大学学报(自然科学报)，1999，27(70)：77-80.

[4]王 翔，王建昕.汽车尾气催化器温度场的研究[J].清华大学学报(自然科学版)，2002，42(5)：669-672.

[5]郭仁东，胡 冰，王立捷，等.圆管流体平均流速与管道半径的关系[J].沈阳大学学报，2008，20(1)：1-3.

[6]邓康耀，顾宏中.排气管中二维非定常流动的试验研究[J].内燃机学报，2001，19(4)：387-391.

[7]李慧珍，何雅玲，陶文铨.流体温度正确测试方法的实验演示[J].中国电力教育(上)，2009(4)：107-110.

[8]崔淑华，牛鑫淼.发动机燃烧乙醇汽油的排气温度试验与分析[J].森林工程，2013，29(2)：115-116.