高原環(huán)境對車輛動力性的影響及動力提升措施

周廣猛,劉瑞林,許翔,孫文龍,石秉良,祁濤,謝來卿

(1.軍事交通學院,天津300161;2.中國人民解放軍63969部隊,南京230026)

綜 述

高原環(huán)境對車輛動力性的影響及動力提升措施

周廣猛1,劉瑞林1,許翔1,孫文龍1,石秉良2,祁濤2,謝來卿2

(1.軍事交通學院,天津300161;2.中國人民解放軍63969部隊,南京230026)

摘.要:在總結(jié)我國高原氣候和地理環(huán)境特點的基礎(chǔ)上,從反映車輛動力性能的指標出發(fā),以加速時間、最大爬坡度和最高車速入手,理論分析了對整車高原動力性影響較大的因素,主要包括有效熱效率、循環(huán)噴油量、滾動阻力系數(shù)、空氣密度對空氣阻力的影響等。通過分析高原環(huán)境對這些因素的影響,總結(jié)出了高原環(huán)境對車輛動力性的影響機理,并進一步提出了整車高原動力性改進的技術(shù)措施,認為先進增壓、燃燒優(yōu)化、高壓共軌燃油噴射、高原環(huán)境標定、熱平衡控制和富氧進氣燃燒等技術(shù)措施成為提高車輛動力性的有效技術(shù)措施。

車輛;高原環(huán)境;動力性;提升

KEY WORDS:vehicle;plateau environment;power performance;improvement

在世界地理環(huán)境中,我國高原具有海拔高和面積廣的特點。海拔3 km以上的高原地域占全國陸地總面積的26%,僅我國的青藏高原就達230萬平方公里,平均海拔在4 km以上[1—3]。全世界海拔2 km以上的地域,才占全球陸地總面積的13.2%,遠低于我國高原的相應(yīng)比例。隨著海拔高度的升高,環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化。海拔每升高1 km,大氣壓力平均下降9.5 kPa,空氣密度平均減小0.092 kg/m3,空氣含氧量平均減少30.18 g/m3,大氣溫度平均下降4℃,水沸點平均降低2.7℃[4—5]。同時高原環(huán)境外通條件差而少,公路技術(shù)等級低,質(zhì)量差,其中四級和等級外公路占80%左右[1]。高原環(huán)境下氣候和地理環(huán)境條件的變化導致車輛機動性能降低、加速時間和加速距離加長、最高車速下降、最大爬坡度減小、載質(zhì)量減少、運輸效率下降[6],車輛的動力性下降。加速特性和爬坡性能是制約車輛高原適應(yīng)性好壞的主要因素[7],這意味著整車的動力性已成為制約車輛高原適應(yīng)性的關(guān)鍵因素,對車輛的綜合性能造成影響[8]。對于軍用車輛裝備而言,由于機動性是軍車最重要的評價指標之一,因此對車輛裝備高原動力性能的要求更為嚴格。當前,車輛的動力性隨海拔高度的升高而下降已經(jīng)成為了共識,但高原環(huán)境對車輛動力性影響主要從高原環(huán)境對發(fā)動機性能的影響進行分析或者等同[9—12],缺乏全面而具體的分析。筆者從反映車輛動力性能的指標出發(fā),利用理論分析的方式,能夠更為全面地分析高原環(huán)境對車輛動力性的影響,并在此基礎(chǔ)上,提出了車輛高原動力性能提升的技術(shù)措施。

1 高原環(huán)境對車輛動力性的影響機理分析

式中:Ft為驅(qū)動力,N;Ff為滾動阻力,N;Fw為空氣阻力,N。

汽車的爬坡能力,是指汽車在良好路面上克服滾動阻力和空氣阻力后的余力全部用來克服坡度阻力時能爬上的坡度,利用汽車行駛方程式確定Ⅰ擋及低擋爬坡能力時,應(yīng)采用Gsinα作為坡度阻力,式(2)給出了最大爬坡度α的計算公式:

由式(1)和(2)可見,車輛的爬坡能力和加速能力均與[Ft-(Ff+Fw)]成正比。式(3)給出了發(fā)動機轉(zhuǎn)速與汽車行駛速度之間的關(guān)系,在傳動比確定的前提下,整車的最大行駛速度與發(fā)動機的標定轉(zhuǎn)速成正比,而整車最大轉(zhuǎn)速的實現(xiàn),也取決于[Ft-(Ff+Fw)]。

由以上分析可得,整車的動力性與[Ft-(Ff+Fw)]直接相關(guān)。其直接的物理意義為:當車速低于最高車速時,若驅(qū)動力大于行駛阻力,汽車就可以利用剩余的驅(qū)動力進行加速或爬坡,甚至達到最大車速,令ΔF=Ft-(Ff+Fw),則ΔF反映動力性的大小。

式(4)給出了Ft的計算公式,Ttq可由式(5)表示。

式中:Ft為作用于驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)矩;Ttq為發(fā)動機轉(zhuǎn)矩;ig為變速器的傳動比;io為主減速器的傳動比;ηT為傳動系的機械效率;r為車輪半徑。

式中:ηet為有效熱效率;gb為循環(huán)供油量, mg/(缸·循環(huán));Hu為燃料低熱值;i為氣缸數(shù);h為發(fā)動機轉(zhuǎn)速;τ為沖程數(shù)。

Ff可由式(6)表示:

式中:W為車輪負荷,N;f為滾動阻力系數(shù)。

Fw可由式(7)表示:

式中:CD為空氣阻力系數(shù);ρ為空氣密度, N·s2/m4;A為迎風面積,即汽車行駛方向的投影面積,m2;ur為相對速度,在無風時即汽車的行駛速度ua,m/s。

將式(4)—(7)代入式ΔF=Ft-(Ff+Fw)中,可得:

由式(9)可見:車輛高原動力性能主要取決于有效熱效率ηet、循環(huán)噴油量gb、機械效率ηT、滾動阻力系數(shù)f和空氣密度ρ。

1)有效熱效率ηet的影響。ηet能夠表示車用發(fā)動機燃燒的完善程度,提高ηet不僅能夠提高車用發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性,也能夠提高車用發(fā)動機的動力性。高原環(huán)境對ηet的影響較大,在高原環(huán)境條件下,大氣壓力降低,車用發(fā)動機的進氣密度降低,發(fā)動機進氣充量減小,過量空氣系數(shù)降低,即便對循環(huán)噴油量進行調(diào)整,過量空氣系數(shù)仍然隨海拔的升高而降低。海拔每升高1 km,不同轉(zhuǎn)速下的過量空氣系數(shù)下降3%以上,低速工況過量空氣系數(shù)甚至下降至1以內(nèi)[13]。過量空氣系數(shù)的降低,造成了壓縮終點壓力和溫度降低,同時由于高原環(huán)境下混合氣密度減小導致反應(yīng)物分子之間的碰撞機率降低,混合氣預反應(yīng)的物理和化學時間延長,滯燃期延長。同時造成化學反應(yīng)速度降低,燃燒持續(xù)期延長,后燃比例增長,平均指示壓力降低,造成了高原環(huán)境下的指示熱效率和有效熱效率下降[14—17],發(fā)動機火用損失增大,引起發(fā)動機動力性下降[3,18—22]。特別是增壓器匹配時無法兼顧低速工況,高海拔低轉(zhuǎn)速下壓氣機效率降低,進氣流量大幅下降,低速動力性下降幅度更加嚴重[23—24],造成整車的低速動力性下降,扭矩儲備系數(shù)減小,爬坡能力降低。

2)循環(huán)噴油量gb的影響。當不對gb進行調(diào)整時,隨海拔的增加,gb對整車動力性沒有影響。隨海拔的升高,發(fā)動機燃燒惡化,后燃增加,造成柴油機熱負荷增大。某重型車用柴油機的試驗結(jié)果表明:從平原到海拔4000 m,渦前排溫最高上升180℃,缸內(nèi)燃燒溫度峰值上升300℃以上,活塞表面最高溫度最多上升173℃[25];同時由于水沸點降低,容易造成冷卻水開鍋,而導致柴油機冷卻能力下降。二者的共同作用,對柴油機在高原環(huán)境條件下的綜合性能造成影響,甚至出現(xiàn)發(fā)動機氣缸墊燒蝕和拉缸的現(xiàn)象,嚴重影響柴油機的使用性能,需要通過減少循環(huán)噴油量來降低發(fā)動機的熱負荷。此外,隨著海拔高度的升高,盡管大氣密度降低,導致柴油機進氣量減小,但同時渦輪背壓也隨之降低,增壓比增大,增壓器轉(zhuǎn)速升高,特別是在高轉(zhuǎn)速區(qū)域,增壓器轉(zhuǎn)速升高的更為明顯,需要減少循環(huán)噴油量,防止增壓器超速[21,26—28]。在高原環(huán)境條件下,對循環(huán)噴油量進行調(diào)整,適當犧牲發(fā)動機動力性,可以保證發(fā)動機可靠運轉(zhuǎn)[13]。

3)機械效率ηT的影響。高原環(huán)境對機械效率ηT的影響主要是在高原環(huán)境下,空氣密度的減小,減速器、變速器等處散熱減少,造成的熱損失增大,由于溫度的變化對機械效率造成影響。高原環(huán)境對其影響程度較對車輛發(fā)動機動力性的影響程度小,由于在高原環(huán)境條件下風沙大,沙塵容易進入傳動部件,同時空氣的密度降低,空氣散熱能力降低,傳動部件的溫升增加,潤滑油使用壽命減低,如果不能及時對車輛進行維護和保養(yǎng),會造成車輛機械效率降低,影響車輛的動力性。

4)滾動阻力系數(shù)f的影響。滾動阻力系數(shù)f與路面的種類,行駛車速以及輪胎的構(gòu)造、材料和氣壓等有關(guān)。在高原環(huán)境條件下,道路條件發(fā)生了變化,具體表現(xiàn)在路網(wǎng)稀而偏,密度小,外通條件差而少,公路技術(shù)等級低,這些道路通行條件的變化造成了道路滾動阻力系數(shù)的增大。特別是高原山路、高原荒漠等道路下,滾動阻力系數(shù)不同程度地增加。如與良好的瀝青路面相比,碎石路面的滾動阻力系數(shù)增加1倍以上,坑洼的卵石路面增加3倍以上,干砂路面甚至達到了10倍以上。

5)空氣密度ρ的變化對空氣阻力的影響。對整車而言,高原環(huán)境的變化對整車的動力性提升也有有益的影響,主要體現(xiàn)在高原環(huán)境下空氣密度的下降造成空氣阻力降低,降低的幅度和空氣密度降低的幅度一致,然而對空氣阻力的減小程度有限,無法補償高原環(huán)境條件的變化對整車動力性下降造成的影響。

結(jié)合上述分析,高原環(huán)境對車輛動力性的影響機理示意如圖1所示。由該圖可見,高原氣候和地理環(huán)境均對車輛的動力性造成影響,其中發(fā)動機動力性的下降是車輛動力性下降的主要因素。研究表明,海拔高度每升高1000 m,非增壓柴油機的功率約下降8%～13%,增壓柴油機功率下降約1%～8%,增壓中冷柴油機功率下降約1% ～4%[7]。在高原環(huán)境條件下,空氣阻力的降低難以補償發(fā)動機動力性的下降,造成車輛高原動力性的下降。除此之外,車輛在高原可靠性的降低也會對車輛動力性造成影響,這主要表現(xiàn)為車輛在使用過程中,由于其技術(shù)性能下降造成車輛動力性的下降。同時在高原環(huán)境條件下,制氧機等附件的使用也消耗部分動力,在上述因素影響下整車動力性的下降程度會進一步增加。

圖1 高原環(huán)境對車輛動力性的影響機理示意Fig.1 Influencing mechanism of plateau environment on vehicle power performance

隨著對車輛節(jié)能減排要求的不斷增高,特別是對車輛的高原排放問題也逐漸得到重視[29],美國聯(lián)邦環(huán)保署要求從2002年10月1日起,在用重型車必須滿足NTE排放限值的規(guī)定[17]。該規(guī)定基于車載排放測試技術(shù)[26],對0～1676 m海拔范圍內(nèi)運行的重型車的排放做出了限制,歐洲要求在1600 m海拔范圍內(nèi)的NOx排放滿足OBD法規(guī)[17,30]。國內(nèi)北京理工大學[21,31]和昆明理工大學[49]現(xiàn)在已經(jīng)開展高原環(huán)境條件對車輛排放影響的研究。對高原排放要求的不斷增高,造成整車動力性的降低,國內(nèi)外尚未對其進行定性分析。

2 提高整車高原動力性的技術(shù)措施

1)采用可變截面渦輪增壓、二級增壓等先進增壓技術(shù)。雖然傳統(tǒng)的廢氣渦輪增壓柴油機能夠部分恢復高原動力,但仍然存在動力性不足、經(jīng)濟性差、轉(zhuǎn)矩特性不良、增壓器超速、熱負荷大、適應(yīng)性系數(shù)低等問題[32]。雖然受壓力和流量的限制,可變截面渦輪增壓技術(shù),高原功率恢復有限,但在一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)變工況變海拔的控制,有利于提高發(fā)動機的低速和瞬態(tài)特性。由于二級增壓技術(shù)特別是融合可變截面渦輪增壓的二級增壓技術(shù)具有寬廣的流量范圍和更高的效率,因此其具有更大的變海拔適應(yīng)性潛力[33—35]。

2)采用燃燒優(yōu)化技術(shù)。高原下發(fā)動機燃燒惡化,指示和有效熱效率下降,影響發(fā)動機的動力性。采用燃燒優(yōu)化技術(shù),通過優(yōu)化噴油定時、循環(huán)噴油量,能夠改善車用發(fā)動機高原燃燒,提高其動力性。在對循環(huán)噴油量進行優(yōu)化時,需要適當減小噴油量,提高空燃比,改善燃燒;在進行噴油定時優(yōu)化時,可以通過適當提前噴油,增加上止點附件燃燒放熱量,提高發(fā)動機燃燒效率[36]。

3)采用高壓共軌燃油噴射技術(shù)。該技術(shù)是建立在直噴技術(shù)、預噴射技術(shù)和電控技術(shù)基礎(chǔ)上的一種全新概念的噴油系統(tǒng)[37]。它克服了柴油機機械式供油系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速對軌壓的影響,軌壓、噴油過程和噴油持續(xù)期不受負荷和轉(zhuǎn)速的影響,噴油定時與燃油計量完全分開,可以實現(xiàn)預噴射、三角形噴射、后噴射和多段噴射等,有利于全面改善整機性能[38—39]。在高原環(huán)境條件下采用該技術(shù),一方面能夠改善發(fā)動機在高原環(huán)境條件下的霧化特性,另一方面能夠采用更靈活的噴油策略,更方便地實現(xiàn)噴油參數(shù)的大氣壓力修正,從而改善發(fā)動機高原燃燒,提高整機動力性[36,40]。

4)采用高原環(huán)境標定技術(shù)。采用電控技術(shù)后,車輛的高原動力性在很大程度上取決于高原環(huán)境標定的好壞,否則其整機性能可能比不采用電控技術(shù)下降得更多。在柴油機上采用電控后,燃油噴射參數(shù)、增壓控制參數(shù)[41]、廢氣再循環(huán)參數(shù)[35,42]等控制參數(shù)均要考慮高原標定問題。西弗吉尼亞大學和墨西哥城環(huán)境署對9臺柴油車進行高海拔試驗時發(fā)現(xiàn):由于Volvo VE D7C-300高壓共軌柴油機高海拔匹配和標定工作不完善,在墨西哥城(海拔2133.6 m)運行時,出現(xiàn)排放性和經(jīng)濟性惡化,動力性下降的問題[43]。通過對某車進行高原優(yōu)化標定后,與平原相比,該車在格爾木地區(qū)最高檔40～80 km/h加速由原來下降22.0%改善到4.8%,起步連續(xù)換擋0～80 km/h由原來下降8.6%改善到3.0%[44],整車動力性得到明顯改善。

5)采用熱平衡控制技術(shù)。對散熱器等部件進行優(yōu)化設(shè)計[45],通過采用電控水泵、電控風扇[46]等,根據(jù)高原環(huán)境條件、運行工況等參數(shù),來動態(tài)調(diào)整冷卻風扇轉(zhuǎn)速、節(jié)溫器的開啟等,控制整機的冷卻量,解決車輛在高原地區(qū)的熱平衡問題。特別是通過運用發(fā)動機高原熱管理技術(shù)充分挖掘車輛動力性提升的潛力[47],使熱平衡這一約束條件能夠保證整車動力性能的發(fā)揮。

6)采用富氧進氣燃燒技術(shù)。車輛高原動力性下降主要是由于在高原環(huán)境條件下,空氣稀薄、氧含量低造成的。富氧進氣燃燒技術(shù)的應(yīng)用可以有效地改善燃燒,提高車輛的動力性[48—49],但受制于現(xiàn)階段制氧技術(shù)水平的限制,如膜法富氧技術(shù)的能耗較高,當前該技術(shù)還處于研究階段[50]。

3 結(jié)語

在高原環(huán)境條件下,隨海拔的升高,整車動力性降低,已成為制約車輛高原適應(yīng)性的關(guān)鍵因素,對車輛的綜合性能造成影響。對在高原環(huán)境條件下發(fā)動機有效熱效率、循環(huán)噴油量等影響整車動力性的因素進行了分析,明確了高原環(huán)境對整車動力性的作用機理,進一步總結(jié)了先進渦輪增壓技術(shù)、燃燒優(yōu)化技術(shù)、高壓共軌燃油噴射技術(shù)、高原環(huán)境標定技術(shù)、熱平衡控制技術(shù)、富氧進氣燃燒等技術(shù)改善整車高原環(huán)境下的動力性能。

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Effects of Plateau Environment on Power Performance of Vehicles and Measures to Improve Power Performance in Plateau

ZHOU Guang-meng1,LIU Rui-lin1,XU Xiang1,SUN Wen-long1,SHI Bing-liang2,QI Tao2,XIE Lai-qing2

(1.Military Transportation University,Tianjin 300161,China;2.63969 PLA Troops,Nanjing 230026,China)

Based on summarizing characteristics of climatic and geographical environment,the factors which affect dynamic performance of vehicles characterized by acceleration time,maximum gradability and maximum vehicle speed evidently were analyzed theoretically,which included effective thermal efficiency,fuel delivery per cycle per cylinder,coefficient of rolling resistance and effects of air density on air friction,etc.The mechanism of plateau environment on power performance of vehicles were got by analyzing the impacts of plateau environment on these factors.Then technical measures to improve plateau power performance of vehicles were put forward.Advanced turbocharging technique,combustion optimization technique,common rail fuel injection technique,plateau environment calibration technique,heat balance control technique and oxygen-enrichment combustion technology were deemed to be effective measures to improve power performance of vehicles in plateau.

10.7643/issn.1672-9242.2014.03.010

TK421

:A

1672-9242(2014)03-0045-07

2014-03-06;

2014-03-30

Received:2014-03-06;Revised:2014-03-30

周廣猛(1984—),男,山東鄒城人,博士,講師,主要研究方向為動力機械環(huán)境適應(yīng)性。

Biography:ZHOU Guang-meng(1984—),Male,from Zoucheng,Shandong,Ph.D.,Lecturer,Research focus:environmental adaptability of power machine.