高原環(huán)境對汽車發(fā)動機(jī)性能影響分析

梁永勤 惠文棟

摘要：在總結(jié)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(chǔ)上，分析了高原地區(qū)對汽車使用性能的影響，提出了相應(yīng)的措施，對于減少汽車在高原地區(qū)使用過程中發(fā)動機(jī)的過熱及異常磨損，提高汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性，減少環(huán)境污染具有非常重要的意義。

關(guān)鍵詞：高原環(huán)境;發(fā)動機(jī)使用性能;影響;措施

中圖分類號：U471.14? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)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(jì)，2020年，西藏日均新車上戶166輛;截至2020年底，西藏機(jī)動車保有量達(dá)到656703輛，機(jī)動車駕駛?cè)诉_(dá)613682人。隨著拉薩至林芝、拉薩至那曲、澤當(dāng)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(kuò)建，西藏全區(qū)公路通車總里程達(dá)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(guān)鍵。與此同時(shí)，近年來西藏不斷加大市政工程建設(shè)，改善交通基礎(chǔ)設(shè)施，先后在拉薩市、日喀則市等地建成立體交通網(wǎng)絡(luò)。隨著人民生活水平的提高，交通基礎(chǔ)設(shè)施的改善，服務(wù)水平的提高，西藏全區(qū)人民的汽車購買力將持續(xù)增強(qiáng)，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(jì)，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(shí)，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(fù)荷和油耗增大，冷卻系統(tǒng)散熱能力嚴(yán)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(diǎn)，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(jì)性，減輕環(huán)境污染具有非常重要的意義。

國內(nèi)外研究學(xué)者普遍在上世紀(jì)80年代開展了高海拔對發(fā)動機(jī)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(jī)和一臺渦輪增壓發(fā)動機(jī)為研究對象，研究得出無論是自然吸氣還是增壓發(fā)動機(jī)，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(jī)械研究所在海拔3800米對某發(fā)動機(jī)進(jìn)行了高原實(shí)地試驗(yàn)，研究指出發(fā)動機(jī)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(diǎn)排溫升高超過10%。同時(shí)，研究指出由于高原環(huán)境下發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)散熱能力需求較高，試驗(yàn)表明海拔每升高1000米，發(fā)動機(jī)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(shè)計(jì)不足，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)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(shí)間內(nèi)的進(jìn)氣量減少，氧氣含量降低，研究表明，海拔每升高1000米，低轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣流量甚至減小了7.2%，在中高轉(zhuǎn)速下也減少了3.1%。小負(fù)荷時(shí)發(fā)動機(jī)工作不穩(wěn)定，而柴油機(jī)在大負(fù)荷時(shí)排煙惡化，最大功率明顯下降，同時(shí)有效燃油效率降低，油耗增大，排放惡化。因目前發(fā)動機(jī)絕大部分采用電控技術(shù)，在相同轉(zhuǎn)速時(shí)噴油量基本無變化，因而過量空氣細(xì)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(dǎo)致發(fā)動機(jī)充氣系數(shù)降低。從汽車原理可知，發(fā)動機(jī)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(jī)平均指示壓力將降低。對于某確定發(fā)動機(jī)，平均指示壓力直接影響發(fā)動機(jī)功率。國內(nèi)外對汽車發(fā)動機(jī)高原試驗(yàn)及理論研究表明，發(fā)動機(jī)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(diǎn)下降，發(fā)動機(jī)熱負(fù)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(jī)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(jī)水套散熱量平均降低約7.2%。汽車從平原行駛進(jìn)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(jī)的進(jìn)氣量較平原地區(qū)的進(jìn)氣量少，燃燒環(huán)境也隨之變差，導(dǎo)致在高原地區(qū)行駛的汽車發(fā)動機(jī)的有效功率降低。同時(shí)，因空氣密度下降，發(fā)動機(jī)的排氣散熱效率降低。在汽車行駛過程中，發(fā)動機(jī)排氣溫度不斷升高，發(fā)動機(jī)熱負(fù)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(jī)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(fēng)，雨季時(shí)間短，空氣含塵率高。汽車長時(shí)間在高原地區(qū)行駛，發(fā)動機(jī)進(jìn)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(jìn)行清潔或者更換空氣濾清器，將大大增加進(jìn)氣阻力。這種現(xiàn)象對于高原上本來就進(jìn)氣不足的發(fā)動機(jī)來說無異于雪上加霜，會導(dǎo)致進(jìn)氣量更加不足，按照燃燒的相關(guān)理論，進(jìn)氣不足會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)可燃混合氣燃燒不充分，發(fā)動機(jī)功率下降，部分然后不能轉(zhuǎn)化成有效功率，油耗增加。同時(shí)，會影響NOX的排放、增加煙度，造成發(fā)動機(jī)產(chǎn)生較大的排放污染。部分細(xì)小沙塵顆粒經(jīng)空氣濾芯隨進(jìn)氣道進(jìn)入到發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)部，在運(yùn)動機(jī)件的摩擦面之間形成磨粒，造成磨粒磨損，增大發(fā)動機(jī)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(jī)的功率和扭矩下降、燃油經(jīng)濟(jì)性變差、發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒環(huán)境惡化，易產(chǎn)生積碳，發(fā)動機(jī)排氣溫度升高熱負(fù)荷增加，磨損嚴(yán)重，發(fā)動機(jī)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(jī)負(fù)載增加呈線性增加，但當(dāng)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(gè)月保養(yǎng)習(xí)慣，在高原地區(qū)使用的汽車應(yīng)縮短保養(yǎng)時(shí)間和保養(yǎng)里程。保證發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的清潔;及時(shí)更換機(jī)油，保證潤滑系統(tǒng)工作介質(zhì)的清潔和整個(gè)系統(tǒng)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)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(shí)所需空氣量減少，從而補(bǔ)償由于低氣壓而導(dǎo)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(shí)現(xiàn)了添加10%乙醇汽油的應(yīng)用。

2.2 增壓技術(shù)

目前廣泛運(yùn)用在汽車發(fā)動機(jī)上的渦輪增壓技術(shù)，它是一種利用發(fā)動機(jī)四個(gè)沖程的最后一個(gè)排氣沖程所排出的廢氣來驅(qū)動空氣壓縮機(jī)的技術(shù)。研究表明，對于渦輪增壓或者增壓中冷發(fā)動機(jī)，在高原工作時(shí)其功率下降、經(jīng)濟(jì)性下降，但下降幅度好于費(fèi)增壓發(fā)動機(jī)。這是由于渦輪增壓器在高海拔地區(qū)運(yùn)行時(shí)具有一定的自動補(bǔ)償發(fā)動機(jī)功率下降的能力。當(dāng)海拔高度升高，大氣壓力降低，渦輪的膨脹比增大，增壓器轉(zhuǎn)速上升，使壓氣機(jī)壓比升高，部分補(bǔ)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(jī)的動力性能影響如表2所示。

汽油機(jī)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(jìn)入氣缸，目前汽油機(jī)電噴技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)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(jī)在高原環(huán)境下溫度和壓力較自然吸氣高，目前汽油機(jī)的增壓比一般可以控制在1.5～1.6之間，使發(fā)動機(jī)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(jī)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(shí)刻、噴油量、噴油系統(tǒng)壓力等，可以解決發(fā)動機(jī)高原功率恢復(fù)問題。在高海拔地區(qū)，發(fā)動機(jī)壓力循環(huán)線都低，這是由于低氣壓導(dǎo)致吸入氣缸內(nèi)空氣較少，發(fā)動機(jī)在吸氣終止時(shí)缸內(nèi)壓力及溫度減小，最終導(dǎo)致壓縮終止時(shí)缸內(nèi)壓力及溫度降低。在不同海拔下，噴油時(shí)刻極大的影響了最高燃燒壓力，隨著海拔、轉(zhuǎn)速、負(fù)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(yù)混合燃燒量增加，最高燃燒壓力增大，能夠部分補(bǔ)償因進(jìn)氣壓力降低造成的燃燒壓力下降，提高發(fā)動機(jī)熱效率。點(diǎn)火提前角增大，將使發(fā)動機(jī)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(yù)混合燃燒量增大，能夠部分補(bǔ)償因進(jìn)氣壓力降低造成的最高燃燒壓力下降，提高發(fā)動機(jī)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(diǎn)火延遲時(shí)間延長，預(yù)混燃燒權(quán)重增加，略有改善煙霧。對相關(guān)部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)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(jìn)氣壓力低，汽油機(jī)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(jié)構(gòu)優(yōu)化的同時(shí)提高氣缸體材料的力學(xué)性能，最大限度的提高壓縮比;供油系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過對高壓油泵和噴油器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化噴油參數(shù)、提高燃油霧化效果。

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