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        高原環(huán)境對汽車發(fā)動機性能影響分析

        2021-09-10 07:22:44梁永勤惠文棟
        內(nèi)燃機與配件 2021年15期
        關鍵詞:措施影響

        梁永勤 惠文棟

        摘要:在總結西藏汽車保有量增長情況和西藏高原環(huán)境高海拔所帶來的空氣稀薄,氣壓低,含氧量少的基礎上,分析了高原地區(qū)對汽車使用性能的影響,提出了相應的措施,對于減少汽車在高原地區(qū)使用過程中發(fā)動機的過熱及異常磨損,提高汽車的燃油經(jīng)濟性,減少環(huán)境污染具有非常重要的意義。

        關鍵詞:高原環(huán)境;發(fā)動機使用性能;影響;措施

        中圖分類號:U471.14? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼:A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號:1674-957X(2021)15-0069-02

        0? 引言

        汽車正加速“駛”入西藏尋常百姓家,據(jù)統(tǒng)計,2020年,西藏日均新車上戶166輛;截至2020年底,西藏機動車保有量達到656703輛,機動車駕駛人達613682人。隨著拉薩至林芝、拉薩至那曲、澤當至貢嘎等一條條高等級公路建成通車,以及大量農(nóng)村公路改擴建,西藏全區(qū)公路通車總里程達到11.67萬公里,群眾出行有了更便捷的方式。西藏全區(qū)人民收入水平的快速增長,是汽車保有量增加的關鍵。與此同時,近年來西藏不斷加大市政工程建設,改善交通基礎設施,先后在拉薩市、日喀則市等地建成立體交通網(wǎng)絡。隨著人民生活水平的提高,交通基礎設施的改善,服務水平的提高,西藏全區(qū)人民的汽車購買力將持續(xù)增強,汽車數(shù)量將越來越多。

        在中國中西部的高原地區(qū),占到了全國土地總面積的65%。因西藏特殊的地理位置,全區(qū)總面積122萬多平方公里,海拔高度在4000米以上的區(qū)域就超過了100萬平方公里。高海拔對空氣含量,氧含量及大力壓力都產(chǎn)生了很大的影響。據(jù)統(tǒng)計,西藏高原地區(qū)平均空氣密度為海平面空氣密度的60-70%,高原空氣平均氧含量只有海平面的60-65%,同時,隨海拔高度升高,大氣壓力逐漸降低。在高海拔地區(qū),車輛普遍存在動力明顯下降,熱負荷和油耗增大,冷卻系統(tǒng)散熱能力嚴重不足等問題?;谶@樣的環(huán)境,汽車從平原來到高原,在使用的過程中受氣壓低,氧氣含量少的影響,汽車的使用性能表現(xiàn)出一些差異和特點,研究高原環(huán)境對汽車使用性能的影響,對減少汽車使用過程中的噪聲振動,提高汽車的燃油經(jīng)濟性,減輕環(huán)境污染具有非常重要的意義。

        國內(nèi)外研究學者普遍在上世紀80年代開展了高海拔對發(fā)動機的影響研究。其中美國西南研究院以一臺自然吸氣發(fā)動機和一臺渦輪增壓發(fā)動機為研究對象,研究得出無論是自然吸氣還是增壓發(fā)動機,隨著海拔的增加,一氧化碳,HC化合物和顆粒比排放均上升,NOX呈現(xiàn)下降的趨勢。國內(nèi)而言,濰柴與西寧稿源工程機械研究所在海拔3800米對某發(fā)動機進行了高原實地試驗,研究指出發(fā)動機最大功率下降了28.2%,有效燃油消耗率上升了10%,高海拔情況下同一工況點排溫升高超過10%。同時,研究指出由于高原環(huán)境下發(fā)動機冷卻系統(tǒng)散熱能力需求較高,試驗表明海拔每升高1000米,發(fā)動機水套平均散熱量增大5.3%,冷卻系統(tǒng)所需冷卻空氣流量平均增大8.8%,冷卻系統(tǒng)的散熱能力必須隨海拔升高而增大。冷卻系統(tǒng)設計不足,導致發(fā)動機冷卻水開鍋,拉缸及汽缸墊燒毀發(fā)生概率明顯提高。

        1? 高原環(huán)境對汽車使用性能的影響

        西藏海拔4000米以上的地區(qū)占全區(qū)總面積的85.1%,隨著海拔高度增加,大氣壓力降低,空氣密度降低,和平原地區(qū)相比,高原地區(qū)海拔高、氣溫低、單位時間內(nèi)的進氣量減少,氧氣含量降低,研究表明,海拔每升高1000米,低轉速下進氣流量甚至減小了7.2%,在中高轉速下也減少了3.1%。小負荷時發(fā)動機工作不穩(wěn)定,而柴油機在大負荷時排煙惡化,最大功率明顯下降,同時有效燃油效率降低,油耗增大,排放惡化。因目前發(fā)動機絕大部分采用電控技術,在相同轉速時噴油量基本無變化,因而過量空氣細數(shù)變小,使燃油混合氣無法充分燃燒、燃燒惡化。

        從表1可以看出,隨著海拔增高,大氣壓力降低,空氣密度下降,這會導致發(fā)動機充氣系數(shù)降低。從汽車原理可知,發(fā)動機平均指示壓力與充氣系數(shù)成正比,因此隨著海拔的升高,發(fā)動機平均指示壓力將降低。對于某確定發(fā)動機,平均指示壓力直接影響發(fā)動機功率。國內(nèi)外對汽車發(fā)動機高原試驗及理論研究表明,發(fā)動機輸出功率隨著海拔升高降低,燃油消耗率升高。

        高原地區(qū)大氣壓力低,水的沸點下降,發(fā)動機熱負荷增大和冷卻系統(tǒng)散熱能力變差。研究表明,海拔升高1000米,發(fā)動機水套散熱量平均增加5.3%,冷卻液工作溫度每升高5度,發(fā)動機水套散熱量平均降低約7.2%。汽車從平原行駛進高原的過程中,因海拔高度逐漸上升,單位面積內(nèi)的空氣量減少,氣壓降低。因此,在相同工況下,在高原條件下行駛的汽車發(fā)動機的進氣量較平原地區(qū)的進氣量少,燃燒環(huán)境也隨之變差,導致在高原地區(qū)行駛的汽車發(fā)動機的有效功率降低。同時,因空氣密度下降,發(fā)動機的排氣散熱效率降低。在汽車行駛過程中,發(fā)動機排氣溫度不斷升高,發(fā)動機熱負荷增加。研究表明,在相同的工況和環(huán)境溫度下,海拔升高1000米,保持相同的發(fā)動機冷卻液工作溫度,冷卻系統(tǒng)所需的冷卻空氣流量增大約9%。

        西藏高原是典型的荒漠地帶,干燥多風,雨季時間短,空氣含塵率高。汽車長時間在高原地區(qū)行駛,發(fā)動機進氣環(huán)境惡劣,空氣中大量的沙粒灰塵將會附著在空氣濾清器濾芯上,如果不定期進行清潔或者更換空氣濾清器,將大大增加進氣阻力。這種現(xiàn)象對于高原上本來就進氣不足的發(fā)動機來說無異于雪上加霜,會導致進氣量更加不足,按照燃燒的相關理論,進氣不足會導致發(fā)動機氣缸內(nèi)可燃混合氣燃燒不充分,發(fā)動機功率下降,部分然后不能轉化成有效功率,油耗增加。同時,會影響NOX的排放、增加煙度,造成發(fā)動機產(chǎn)生較大的排放污染。部分細小沙塵顆粒經(jīng)空氣濾芯隨進氣道進入到發(fā)動機氣缸內(nèi)部,在運動機件的摩擦面之間形成磨粒,造成磨粒磨損,增大發(fā)動機的異常磨損,降低壽命。有研究表明隨著海拔升高,一氧化碳(CO)、顆粒數(shù)(PN)、硝酸鹽和氮氧化物(NOX)隨著海拔升高而增加。

        因此,汽車在高海拔地區(qū)使用表現(xiàn)出發(fā)動機的功率和扭矩下降、燃油經(jīng)濟性變差、發(fā)動機缸內(nèi)燃燒環(huán)境惡化,易產(chǎn)生積碳,發(fā)動機排氣溫度升高熱負荷增加,磨損嚴重,發(fā)動機使用壽命降低,研究表明,在10米和1000米的海拔高度,煙霧隨著發(fā)動機負載增加呈線性增加,但當海拔超過1670米后,煙霧急劇增加。

        2? 改善方法

        2.1 保養(yǎng)和采用含氧燃料

        改變常規(guī)5000公里保養(yǎng)或者6個月保養(yǎng)習慣,在高原地區(qū)使用的汽車應縮短保養(yǎng)時間和保養(yǎng)里程。保證發(fā)動機進氣系統(tǒng)的清潔;及時更換機油,保證潤滑系統(tǒng)工作介質(zhì)的清潔和整個系統(tǒng)的高效運轉。同時采用含氧燃料,即在燃料中參入酒精及其他含氧化合物,由于參入的成分中均含有氧原子,理論上燃燒時所需空氣量減少,從而補償由于低氣壓而導致的充其量不足。有研究表明,采用含氧量高的燃料,其能力隨著海拔升高而提高。目前,全國范圍內(nèi)基本實現(xiàn)了添加10%乙醇汽油的應用。

        2.2 增壓技術

        目前廣泛運用在汽車發(fā)動機上的渦輪增壓技術,它是一種利用發(fā)動機四個沖程的最后一個排氣沖程所排出的廢氣來驅(qū)動空氣壓縮機的技術。研究表明,對于渦輪增壓或者增壓中冷發(fā)動機,在高原工作時其功率下降、經(jīng)濟性下降,但下降幅度好于費增壓發(fā)動機。這是由于渦輪增壓器在高海拔地區(qū)運行時具有一定的自動補償發(fā)動機功率下降的能力。當海拔高度升高,大氣壓力降低,渦輪的膨脹比增大,增壓器轉速上升,使壓氣機壓比升高,部分補償了充氣量不足造成的影響。海拔高度對自然吸氣和增壓發(fā)動機的動力性能影響如表2所示。

        汽油機渦輪增加首先將環(huán)境P0,T0增壓到較高的Pt,Tt后,可以以較高的密度流過化油器,與燃料相混合后再進入氣缸,目前汽油機電噴技術的發(fā)展,進一步可以控制燃燒氣體在熱效率較高的工作范圍內(nèi)。增壓汽油機在高原環(huán)境下溫度和壓力較自然吸氣高,目前汽油機的增壓比一般可以控制在1.5~1.6之間,使發(fā)動機動力性能和燃油消耗率有所改善。但增壓壓力的增大,反過來也會提高汽油發(fā)動機發(fā)生爆燃的幾率。

        2.3 其他方法

        調(diào)整噴油系統(tǒng)參數(shù),比如噴油時刻、噴油量、噴油系統(tǒng)壓力等,可以解決發(fā)動機高原功率恢復問題。在高海拔地區(qū),發(fā)動機壓力循環(huán)線都低,這是由于低氣壓導致吸入氣缸內(nèi)空氣較少,發(fā)動機在吸氣終止時缸內(nèi)壓力及溫度減小,最終導致壓縮終止時缸內(nèi)壓力及溫度降低。在不同海拔下,噴油時刻極大的影響了最高燃燒壓力,隨著海拔、轉速、負荷的增加,噴油提前量也越大,海拔4000米需要比平原提前5度,噴油提前,使得預混合燃燒量增加,最高燃燒壓力增大,能夠部分補償因進氣壓力降低造成的燃燒壓力下降,提高發(fā)動機熱效率。點火提前角增大,將使發(fā)動機缸內(nèi)廢氣殘余量增大,滯燃期增長,火焰?zhèn)鞑ニ俣冉档?。噴油提前,使預混合燃燒量增大,能夠部分補償因進氣壓力降低造成的最高燃燒壓力下降,提高發(fā)動機的熱效率,改善燃燒。研究表明,在輕載工況下,高海拔地區(qū)吸入的空氣量仍大于燃料燃燒所需,隨著海拔升高,燃燒開始延遲,因此點火延遲時間延長,預混燃燒權重增加,略有改善煙霧。對相關部件進行結構優(yōu)化,如:優(yōu)化排氣管的長度、截面積等,提高利用廢氣增加渦輪增壓器的工作效率;由于高原環(huán)境下進氣壓力低,汽油機產(chǎn)生爆振的傾向降低,可以采用消薄汽缸蓋和重新加工燃燒室的辦法,燃燒室結構優(yōu)化的同時提高氣缸體材料的力學性能,最大限度的提高壓縮比;供油系統(tǒng)結構優(yōu)化,通過對高壓油泵和噴油器結構參數(shù)進行優(yōu)化,優(yōu)化噴油參數(shù)、提高燃油霧化效果。

        參考文獻:

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