冬季汽车怠速排气管凝水温度分布实验研究

鲍 宇，田 芳，安永东，吴丽娜，齐益强，臧 杰，宋万会

（1.黑龙江工程学院 汽车与交通工程学院，黑龙江 哈尔滨150050；2.哈尔滨龙晟广汽丰田汽车销售有限公司，黑龙江 哈尔滨150040）

在能源危机与环境污染日益严重的情况下，许多国家开始研究车用代用燃料，用含水乙醇来部分代替汽油作为内燃机燃料已被广泛的研究和应用。乙醇汽油作为一种新型的清洁燃料，是当今世界上可再生能源的发展重点，符合我国能源替代战略和可再生能源的发展方向，在我国具有较好的经济效益和社会效益。由于乙醇燃烧时产生的水蒸汽较其他燃料多，尤其是北方冬季气温低，汽车排气管中的水分会随尾气一起排出，遇低温在路面会形成薄冰面，大大降低了路面附着系数，导致制动性能下降，尤其在坡路地段和交叉路口极易引发交通事故，造成人员与经济损失。国内外相关学者大多注重乙醇汽油带来的节能减排效应，而忽视了北方冬季车辆使用乙醇汽油带来的排水结冰问题。目前国内学者主要针对乙醇汽油冬季使用结冰性能，采用路试的方法进行研究。

1 汽车排气凝水结冰机理分析

汽油的主要成分是辛烷，在理想状态下汽油完全燃烧可用如下化学方程式表示

1.1 汽油发动机尾气排放成分分析

发动机内燃烧环境比较复杂，汽油进行不完全燃烧，汽车尾气中含有上百种不同的化合物，其中的污染物有固体悬浮微粒、一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、铅及硫氧化合物等。汽车尾气中的水是一种可以在液态、气态和固态之间转化的物质。其首先是以气态形式出现的，水蒸气，简称水汽或蒸汽，是水（H2O）的气体形式。水蒸气不是能源，也不是二次能源，更不是再生能源，水蒸气只是水以气态方式存在的一种表现。汽车尾气通过汽车排气管排到外界环境中，水在排气管中存在的形式分为纯气相、气－液二相及纯液相，水蒸气在凝结过程中产生的热能是可以利用的。

1.2 水的凝结机理

物质由气相转变为液相的过程叫做凝结。凝结过程中可以呈现两种状态，珠状凝结和膜状凝结。珠状凝结指蒸汽发生凝结时所产生的凝结液不能润湿冷却壁面，而只能在壁面的许多点上形成一颗颗小液珠的一种凝结换热现象。其特点是:依附于壁面上的大量小液珠在界面力作用下并不连成液膜，当逐渐长大到一定尺寸后，由于重力的影响超过了界面力，会随机沿壁面滚下；滚下的液珠一方面与相遇的液珠汇合而成较大的液滴，同时又清扫了沿途所有液珠，无液珠的壁面供周围蒸汽继续产生凝结。膜状凝结亦称“膜层凝结”，指蒸汽发生凝结时所产生的凝结液能润湿冷却壁面，且在壁面上形成一层完整液膜的一种凝结换热现象。其特点是:固体壁面总是被凝结液的一薄层液膜所覆盖，这一层液膜的形成必然将蒸汽与冷却壁面彼此隔开，使蒸汽的凝结过程只发生在液膜表面上，凝结时所放出的汽化潜热必须通过液膜才能传递给冷却壁面。

在蒸汽凝结的最初阶段形成的液滴很小，相应的饱和蒸汽的气压会很大，甚至出现过饱和蒸汽现象，但汽车排气管中存在的汽油不完全燃烧产物，存在尘埃和杂质等小微粒，起着凝结核的作用。当这些微粒表面凝上一些液体后，会形成半径较大的液滴。当蒸汽与温度低于饱和温度的壁面接触时，蒸汽就会在壁面上凝结为液体。润湿性液体（液体对固体壁面的附着能力和液体能否润湿壁面有关，边角θ＜90°的液体叫做润湿性液体，如水θ＝50°）的蒸汽凝结时，在壁面上形成完整的液膜，把冷却面和蒸汽隔开。蒸汽凝结时所放出的潜热必须通过液膜才能传给壁面，膜层凝结时，由于受重力场影响，凝结的液体沿着冷却壁面向下运动。由于冬季汽车排气管排出的水是沿排气管末端成滴液状，怠速等某些工况下甚至为细小水流状排出，由于排气管的材质容易被液体覆盖，分析汽车排气管内水蒸气凝结成液态水为膜状凝结。在一个标准大气压下，温度为0℃时冰、水、水蒸汽都可能存在，北方冬季汽车尾气排出的水在排气管末端暴露在标准大气压下，0℃以下即完全凝固为水的固态形式，形成冰。

1.3 水的冷凝换热

水的冷凝换热是指汽车尾气在排气管内的水蒸气含有大量不凝气体，导致对流凝结换热。当混合气体的露点温度高于排气管壁面温度时，紧靠壁面处的蒸汽分子开始凝结，并形成一层凝结液膜。随着蒸汽分子的凝结，不凝气体的分压力增大，在凝结液膜外侧形成一个浓度边界层。远离壁面的蒸汽分子借助扩散穿过这层气膜层进行凝结，气膜构成了混合气体中水蒸气凝结的主要热阻，同时随着蒸汽的不断冷凝，不凝气体含量越来越高，蒸气边界层的温度梯度也会越来越明显，传热阻力也会越来越大。

汽车排气管内凝结液膜与混合气体的换热由潜热传递和显热传递两部分组成。这两部分热量靠液膜的导热传给排气管壁面，混合气体向气液界面传递热量是一种对流换热和凝结换热同时存在的复杂过程。假设凝结液在排气管过冷壁面上形成连续液膜，并将混合气体与过冷壁面完全隔离，且混合气体传递给气液界面的总热量全部以导热方式通过液膜传递给冷壁面，冷凝换热可表示为

式中:qi为气－液界面上的总热流通量，ag0为在气－液界面上当Stefan流的速度趋于0时混合气体与界面间的对流换热系数，ΔT0为混合气体的有效换热温差。

式中:a为蒸汽侧冷凝换热系数，qw为过冷壁面热流通量，Tg为主流混合气体总热流通量，Tw为过冷壁面的温度。

混合气体传递给气－液界面的总热量全部以导热方式通过液膜传递给冷壁面

所以

可以看出在其他条件不变的情况下，混合气体有效换热温差越大，蒸汽侧的冷凝换热系数越大，冷凝换热增加。

2 实验方案设计及数据处理

国内学者对乙醇汽油冬季使用的研究主要是通过探究车辆在设定工况条件下，排气管中随废气排出的水的含量以及排气管中各点的温度变化情况，分析燃烧后的尾气温度分布，实验多为车辆道路测试。采用上述方法测试，发现存在低温环境不稳定、测试数据分析不及时等问题，为了更好地确定针对冬季汽车排气结冰的实验测试研究方法，设定低温实验室作为研究环境，提供发动机台架以及实车底为测试研究的主要方法，分析实验数据，指导实际生产。低温实验室具有温度恒定可调节性，便于测试研究数据的分析，同时低温实验环境方便连接各种测试分析仪器，便于稳定的数据采集以及实时处理。目前低温环境实验室配套了发动机测功机以及燃烧分析仪器，本低温实验室已申请国家专利，专利号为ZL201420211043.X。

2.1 实验平台

为研究燃乙醇汽油车排气管内部温度以及汽车排气管末端滴水量随不同大气环境温度及汽车行驶速度而发生变化的情况，考虑到冬季室外环境温度随时间与空间的变化等因素，实验初步选择在低温实验室进行，实验项目分台架实验以及整车实验（见图1）。实验设备包括DA465Q发动机实验台（见图2）、发动机分析仪、AVL AMA i60双路直采排放分析仪以及AVL SPC472部分流颗粒物采样系统等。本次实验测试首先对结冰现象严重的怠速工况进行测试。

图1 低温实验室

2.2 实验设计

为进行排气管内部温度测定实验，实验前在排气管上选取6个测试点安装温度传感器，在进行温度测量实验时，将温度传感器通过固定装置安装在汽车排气管上。6个温度传感器分别布置在避开主、副消音器的排气管前段、中段和末段的弯管上，从排气管入口至出口方向，6个传感器的顺序依次为1～6号，1号测试点距排气歧管聚合处约1m，6号测点在排气尾管末端附近，其余各点的设计安装位置分布如图3所示。

图2 DA465Q发动机实验台

图3 温度传感器安装

为进行排气尾管滴水量的测定，实验前在排气尾管末端布置了接水装置，这样可保证在每个阶段的实验过程中，汽车尾气中的水分可以全部流入接水装置。

2.3 实验处理分析

怠速实验时，将低温实验室的环境温度分别调节为－20℃、－25℃、－30℃进行实验，发动机启动后怠速运行一段时间，直至达到发动机的正常工作温度，开始实验。读取传感器LED屏幕所显示的数据，共测试3次，每次实验时间分别为15min，30min，60min。记录得到排气管内部六点位置温度分布数据，汇总测试数据，对照分析排气管在怠速工况下的温度变化，如图4所示。

从图4可以看出随着外界环境温度降低，根据传感器布置位置，从发动机排气歧管至排气管末端，三条温度曲线的温度下降趋势一致。100℃的区域在测试点传感器3的位置左右，即为水蒸气凝结的临界区域。距排气管末端3cm处，即测试点传感器6的位置附近，温度降至40℃，所以在排气管中水应以气－液二相状态存在，经排气管流出，温度低于0℃会迅速结冰。

图4 各测试点传感器温度变化

3 结束语

通过实验确定汽车尾气中水分与气体完全分离的临界点集中在发动机排气管消音器区域，因此，可以对消音器进行改装，设计隔热以及分流装置。本文基于实验数据分析，为减少汽车尾气凝水结冰，可以在排气管末端设计水分吸收装置，使用高吸水性保温材料，并且定期更换，以达到减少尾气排水结冰的目的。本实验只针对发动机台架低温运行进行分析，未考虑汽车正常行驶的环境因素以及工况、负荷变化对汽车运行尾气排放数据的影响，今后将继续使用实验车按上述方法实验，对比分析结论，形成具体技术方案。本实验方案可行，数据有效，可以在一定条件下为新型汽车排气装置设计以及改进提供参考，为未来控制冬季汽车尾气结冰提供实验数据。

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