高原環(huán)境對輕型車輛動力性和經(jīng)濟(jì)性影響的試驗研究

董素榮，劉鵬宇，王　凱，石秉良，劉瑞林

(1.軍事交通學(xué)院 軍用車輛系，天津 300161； 2.軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊，天津 300161； 3. 63969 部隊，南京 230026)

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● 車輛工程Vehicle Engineering

高原環(huán)境對輕型車輛動力性和經(jīng)濟(jì)性影響的試驗研究

董素榮1，劉鵬宇2，王凱2，石秉良4，劉瑞林1

(1.軍事交通學(xué)院 軍用車輛系，天津 300161； 2.軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊，天津 300161； 3. 63969 部隊，南京 230026)

為提高輕型車輛的高原環(huán)境適應(yīng)性，在不同海拔地區(qū)，對普通型和加裝KSB低溫啟動調(diào)節(jié)裝置的兩款輕型車輛進(jìn)行了實地試驗，研究了高原環(huán)境條件和KSB低溫啟動調(diào)節(jié)裝置對輕型車輛動力性和經(jīng)濟(jì)性的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：在高海拔地區(qū)，輕型車輛的動力性和經(jīng)濟(jì)性下降嚴(yán)重，加裝了KSB裝置后的車輛在高海拔地區(qū)的動力性和經(jīng)濟(jì)性得到改善。與低海拔相比，高海拔輕型車輛加裝KSB裝置前后的0～80 km/h起步加速性能分別下降45.6%和27.9%，60～80 km/h直接擋加速性能分別下降58.1%和19.6%，車輛牽引力分別下降29.4%～40.7%和15.3%～20.4%，百公里燃油消耗量分別增加13.7%和7.7%。

高海拔；輕型車輛；動力性；經(jīng)濟(jì)性；KSB裝置

我國疆域遼闊，道路交通環(huán)境復(fù)雜多變，海拔超過1 000 m的高原面積約有358萬km2，約占我國國土面積的37%[1]。隨著我國西部大開發(fā)政策的深入推進(jìn)，高原地區(qū)經(jīng)濟(jì)、社會和國防建設(shè)都取得了長足的進(jìn)步，對以柴油機(jī)為動力的各種車輛、工程機(jī)械等裝備的需求量日益增長。然而，隨著海拔的升高，柴油機(jī)動力性能逐漸變差，燃油消耗和排放指標(biāo)逐漸惡化，熱負(fù)荷升高[2-5]，導(dǎo)致車輛整車的動力性和經(jīng)濟(jì)性相比平原產(chǎn)生了不同程度的改變。本文通過不同海拔地區(qū)的實地試驗，研究了高原環(huán)境條件對輕型車輛動力性和經(jīng)濟(jì)性的影響規(guī)律，為提高車輛高原適應(yīng)性技術(shù)研究提供依據(jù)。

1　試驗對象及試驗條件

1.1試驗對象

試驗對象為兩款輕型車輛，分別記為1號車和2號車。2號車在1號車的基礎(chǔ)上，增加了KSB低溫起動調(diào)節(jié)裝置。

KSB低溫起動調(diào)節(jié)裝置能夠在發(fā)動機(jī)中冷后溫度低于35 ℃的情況下，增大噴油提前角[6]。增大噴油提前角，可以使柴油機(jī)在此工況下油氣充分混合，提高轉(zhuǎn)矩，改善發(fā)動機(jī)的動力性[7-8]。圖1為KSB低溫起動調(diào)節(jié)裝置原理結(jié)構(gòu)圖，輸油泵提供的燃油通過噴油泵內(nèi)腔輸送到提前器活塞的一個端面?；钊蛴捅玫膬?nèi)腔壓力克服彈簧力而移動并因此改變供油始點，油泵內(nèi)腔壓力是由壓力控制閥決定的，隨著油泵轉(zhuǎn)速上升，壓力控制閥增加了油泵內(nèi)腔壓力，而導(dǎo)致供油量增加。

壓力控制閥柱塞中有一個節(jié)流孔以滿足KSB所需的壓力升高，并實現(xiàn)圖2中虛線所示的提前曲線。

圖2　KSB噴油提前作用曲線

1.2試驗條件

本試驗地點分別選擇在低海拔(<50 m)、中海拔(<2 840 m)和高海拔(4 000～4 800 m)3個地區(qū)。試驗道路條件為水泥公路與瀝青公路，道路平直，縱向坡度在2%以下，大部分在0.3%～0.7%之間，符合通用車輛裝備道路試驗的基本條件。試驗氣候條件見表1。

表1　試驗氣候條件

1.3試驗項目

(1)加速性能試驗。 汽車加速性能試驗依據(jù)GB/T 12543—2009 《汽車加速性能試驗方法》進(jìn)行。起步加速試驗時，由1擋起步，在最合適的換擋時機(jī)換擋，直至車速加到80 km/h；直接擋加速性能試驗，車速在58～60 km/h等速行駛至少2 s，當(dāng)車速達(dá)到60 km/h時開始記錄，直至加速行駛達(dá)70 km/h以上，變速器在試驗過程中不應(yīng)換擋。

(2)牽引特性試驗。 汽車牽引特性試驗依據(jù)GB/T 12537—90《汽車牽引性能試驗方法》(現(xiàn)行)進(jìn)行，選取變速器低擋進(jìn)行，分動器置于HL擋；最大牽引力試驗，分動器置于L擋，變速器置于最低擋。

(3)經(jīng)濟(jì)性試驗。車輛等速燃油消耗量試驗依據(jù)GB/T 12545.1—2008 《汽車燃料消耗量試驗方法 第1部分 乘用車燃料消耗量試驗方法》進(jìn)行。試驗時，試驗樣車的變速器位于最高擋或次高擋，試驗車速以10的倍數(shù)均勻選取，于最低穩(wěn)定車速和最高穩(wěn)定車速的90%范圍內(nèi)，測定5個車速點的油耗。

2　試驗結(jié)果與分析

2.1高原環(huán)境對輕型車輛動力性的影響

圖3和圖4分別為輕型車輛不同海拔起步加速時間和直接擋加速時間。隨著海拔的升高，車輛的起步加速時間和直接擋加速時間增加，車輛加速性能下降。與低海拔相比，1號車輛中海拔和高海拔0～80 km/h起步加速性能分別下降5.2%和45.6%，中海拔和高海拔60～80 km/h直接擋加速性能分別下降25.3%和58.1%；2號車輛中海拔和高海拔0～80 km/h起步加速性能分別下降14.2%和27.9%，中海拔和高海拔60～80 km/h直接擋加速性能分別下降19%和19.6%(見表2)。

圖3　不同海拔起步加速時間(0～80 km/h)

圖4　不同海拔直接擋加速時間(60～80 km/h)

%

由圖3和圖4還可看出：在中、低海拔地區(qū)，車輛起步加速性能下降幅度較小，在高海拔地區(qū)，車輛起步加速性能下降顯著；2號車加速性能下降幅度明顯小于1號車。

由文獻(xiàn)[9]可知：汽車加速度可由式(1)表示，與Ft-(Ff+Fw)直接相關(guān)。

(1)

式中：Ft為驅(qū)動力，N；Ff為滾動阻力，N；Fw為空氣阻力，N；δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；m為汽車質(zhì)量,kg。

在滾動阻力Ff和空氣阻力Fw不變的情況下，車輛加速度主要由驅(qū)動力Ft決定。

(2)

式中：Ft為作用于驅(qū)動輪的驅(qū)動力；N；Ttq為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩，N·m；ig為變速器的傳動比；i0為主減速器的傳動比；ηt為傳動系的機(jī)械效率；r為車輪半徑，m。

由此可見，在變速器傳動比、主減速器傳動比、傳動系機(jī)械效率、車輪半徑不變的情況下，作用于車輪上的驅(qū)動力與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩成正比。

發(fā)動機(jī)高原環(huán)境模擬試驗表明[10]，隨著海拔的升高，柴油機(jī)的轉(zhuǎn)矩和功率等動力性指標(biāo)逐漸下降，而且處于低速區(qū)時要比高速區(qū)下降更明顯。因此，在高海拔地區(qū)，車輛柴油機(jī)的轉(zhuǎn)矩和功率下降，導(dǎo)致車輛的驅(qū)動力下降，而驅(qū)動力的不足導(dǎo)致汽車加速度減小，造成整車的加速性能下降。2號車加速性能下降幅度小于1號車，是由于2號車加裝了KSB低溫起動補(bǔ)償裝置，高海拔試驗以及部分中海拔試驗時，試驗環(huán)境溫度較低，中冷器后溫降低，容易滿足KSB的工作條件，KSB縮短了2號車的加速時間。隨著海拔的升高，柴油機(jī)的轉(zhuǎn)矩和功率下降，車輛驅(qū)動力下降，直接影響車輛牽引特性(如圖5、圖6所示)。

圖5　1號車輛牽引特性曲線

圖6　2號車輛牽引特性曲線

不同海拔地區(qū)牽引特性試驗表明，隨著海拔的升高，輕型車輛的牽引力下降。受高海拔條件的影響，車輛柴油機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩下降，進(jìn)而導(dǎo)致裝備的牽引力下降。與低海拔相比，1號車輛中海拔和高海拔牽引力分別下降了8.9%～13.4%和29.4%～40.7%；2號車輛中海拔和高海拔牽引力分別下降了3.4%～10.7%和15.3%～20.4%(見表3)。

表3　牽引力下降率　%

由圖5和圖6還可以看出：在中、低海拔地區(qū)，車輛牽引力下降幅度較小，在高海拔地區(qū)，車輛起步牽引力下降顯著；2號車加速性能下降幅度明顯小于1號車。1、2號車牽引力在中海拔下降比例相當(dāng)，而在高海拔條件下，2號車牽引力下降率明顯小于1號車。這是由于隨著海拔的升高，車輛柴油機(jī)進(jìn)氣壓力低、含氧量少、燃燒不充分，導(dǎo)致柴油機(jī)和功率下降，而轉(zhuǎn)矩的下降，導(dǎo)致車輛的牽引力下降，2號車加裝了KSB系統(tǒng)，增大了噴油提前角，提高了轉(zhuǎn)矩，使得2號車的牽引力下降率小于1號車的下降率。

2.2輕型車輛不同海拔經(jīng)濟(jì)性分析

為研究高原環(huán)境對燃油經(jīng)濟(jì)性的影響，在不同海拔條件下，對兩輛車進(jìn)行了等速行駛?cè)加拖牧吭囼?，試驗結(jié)果如圖7、圖8所示。燃油消耗量增加率見表4。

圖7　1號車燃油消耗量對比

圖8　2號車燃油消耗量對比

表4　燃油消耗量增加率　%

由圖7、圖8可知，隨著海拔的升高，作等速行駛的車輛燃油消耗量隨之增加。相比低海拔，1號車在中海拔和高海拔下，等速百公里燃油消耗量平均增加6.9%和13.7%；2號車在中海拔和高海拔下，等速百公里燃油消耗量平均增加4.2%和7.7%；2號車輛的燃油消耗量下降率明顯小于1號車。

等速百公里燃油消耗量Qs是反映汽車柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性最重要的參數(shù)，依據(jù)汽車?yán)碚摚渲?(L/100 km)可由式(3)計算得到。

(3)

式中：b為燃油消耗率，g/(kW·h)；ua為汽車速度，km/h；ρ為燃油密度，kg/L；g為重力加速度，m/s2。

由式(3)可見，在汽車速度、燃油密度和重力加速度不變的情況下，等速百公里燃油消耗量同燃油消耗率成正比。

由于高原大氣壓力下降[11]，進(jìn)氣質(zhì)量減少，導(dǎo)致過量空氣系數(shù)減小，柴油機(jī)工作時滯燃期增大，燃料不能在上止點附近燃燒，從而造成柴油機(jī)功率和經(jīng)濟(jì)性能下降，而且還會使發(fā)動機(jī)過熱，冒黑煙，造成燃油消耗率下降，從而使整車的等速百公里油耗量增加。合理地增大供油提前角，促使速燃期、緩燃期和后燃期提前達(dá)到最佳狀態(tài)，有利于提升車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性，2號車加裝了KSB裝置以后，正是改變了柴油機(jī)的噴油提前角，從而減少了柴油機(jī)的燃油消耗量。

3　結(jié)　論

(1)隨著海拔的升高，輕型車輛動力性和經(jīng)濟(jì)性明顯下降，加裝KSB裝置后，動力性和經(jīng)濟(jì)性得到改善。

(2)與低海拔相比，輕型車輛高海拔起步加速性能和直接擋加速性能分別下降45.6%和58.1%，牽引力下降29.4%～40.7%，百公里燃油消耗量增加13.7%。

(3)與低海拔相比，加裝KSB裝置后，輕型車輛高海拔起步加速性能和直接擋加速性能分別下降27.9%和19.6%，牽引力下降15.3%～20.4%，百公里燃油消耗量增加7.7%。

[1]劉瑞林．柴油機(jī)高原環(huán)境適應(yīng)性研究[M]．北京：北京理工大學(xué)出版社，2013：97-126．

[2]周廣猛，劉瑞林，董素榮，等．柴油機(jī)高原環(huán)境適應(yīng)性研究綜述[J]．車用發(fā)動機(jī)，2013(4)：1-5．

[3]董素榮，劉瑞林，許翔．軍車柴油機(jī)高原性能提升技術(shù)[J]．軍事交通學(xué)院學(xué)報，2012,14(12)：77-79.

[4]董素榮，劉瑞林，周廣猛，等．共軌柴油機(jī)高海拔碳煙形成歷程的數(shù)值模擬[J]．燃燒科學(xué)與技術(shù)，2013.19(5)：388-394．

[5]WANG X, GE Y SH, YU L X．Combustion and emission characteristics of a heavy-duty diesel engine at idle at various altitudes[J]．SAE internatior Journal of Engines,2013,6(2):1145-1151.

[6]Dr.-Ing，Helmut Tsch?ke．Diesel distributor fuel-injection pumps technical instruction[Z]．Robert Bosch GmbH，1999：41-43．

[7]劉瑞林，周廣猛，李駿，等．高壓共軌柴油機(jī)高海拔全負(fù)荷標(biāo)定[J]．燃燒科學(xué)與技術(shù)，2012，18(3)：199-205．

[8]路峰，郭猛超．特殊環(huán)境增壓柴油機(jī)燃燒特性計算[J]．機(jī)床與液壓，2011，39(23)：66-70．

[9]余志生．汽車?yán)碚揫M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：1-52．

[10]劉瑞林，周磊，劉楠，等．輕型渦輪增壓柴油機(jī)高海拔性能試驗[J]．軍事交通學(xué)院學(xué)報，2015，17(6)：32-35．

[11]周廣猛，劉瑞林，許翔，等．高原環(huán)境對車輛動力性的影響及動力提升措施[J]．裝備環(huán)境工程，2014，11(3)：45-51．

(編輯：史海英)

Experimental Study on Power and Economy Performance of Light Vehicle in Plateau Environment

DONG Surong1, LIU Pengyu2, WANG Kai2, SHI Bingliang3, LIU Ruilin1

(1.Military Vehicle Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China； 2.Postgraduate Training Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China； 3.63969 Unit, Nanjing 230026， China)

In order to improve the adaptability of light vehicle in plateau environment, two different types of light vehicles, one being ordinary and one assembled with KSB, are tested in different altitude for the effects of plateau environment and KSB on their power and economy performance. The test results show that the power and economy performance of the light vehicle decreased significantly in high altitude areas, but improved when assembled with a KSB. When compared with the low altitude areas, in high altitude areas, the starting accelerate performance (0～80 km/h) of light vehicles with and without KSB decreased respectively by 45.6% and 27.9%, direct drive accelerate performance(60～80 km/h) by 58.1% and 19.6%, traction by 29.4%～40.7% and 15.3%～20.4% and fuel consumption per kilometer increased by 13.7% and 7.7%.

high altitude; light vehicle; power performance; economy performance; KSB device

2015-12-09；

2016-01-25．

董素榮(1967—)，女，博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師．

10．16807/j.cnki.12-1372/e.2016.05.010

U467．1

A

1674-2192(2016)05- 0040- 05