高原環境對汽車發動機性能影響分析

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使用過程中發動機的過熱及異常磨損，提高汽車的燃油經濟性，減少環境污染具有非常重要的意義。

關鍵詞：高原環境;發動機使用性能;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，據統計，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，以及大量農村公路改擴建，西藏全區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，西藏全區人民的汽車購買力將持續增強，汽車數量將越來越多。

在中國中西部的高原地區，占到了全國土地總面積的65%。因西藏特殊的地理位置，全區總面積122萬多平方公里，海拔高度在4000米以上的區域就超過了100萬平方公里。高海拔對空氣含量，氧含量及大力壓力都產生了很大的影響。據統計，西藏高原地區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，車輛普遍存在動力明顯下降，熱負荷和油耗增大，冷卻系統散熱能力嚴重不足等問題。基于這樣的環境，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出一些差異和特點，研究高原環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，提高汽車的燃油經濟性，減輕環境污染具有非常重要的意義。

國內外研究學者普遍在上世紀80年代開展了高海拔對發動機的影響研究。其中美國西南研究院以一臺自然吸氣發動機和一臺渦輪增壓發動機為研究對象，研究得出無論是自然吸氣還是增壓發動機，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呈現下降的趨勢。國內而言，濰柴與西寧稿源工程機械研究所在海拔3800米對某發動機進行了高原實地試驗，研究指出發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境下發動機冷卻系統散熱能力需求較高，試驗表明海拔每升高1000米，發動機水套平均散熱量增大5.3%，冷卻系統所需冷卻空氣流量平均增大8.8%，冷卻系統的散熱能力必須隨海拔升高而增大。冷卻系統設計不足，導致發動機冷卻水開鍋，拉缸及汽缸墊燒毀發生概率明顯提高。

1? 高原環境對汽車使用性能的影響

西藏海拔4000米以上的地區占全區總面積的85.1%，隨著海拔高度增加，大氣壓力降低，空氣密度降低，和平原地區相比，高原地區海拔高、氣溫低、單位時間內的進氣量減少，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%。小負荷時發動機工作不穩定，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，這會導致發動機充氣系數降低。從汽車原理可知，發動機平均指示壓力與充氣系數成正比，因此隨著海拔的升高，發動機平均指示壓力將降低。對于某確定發動機，平均指示壓力直接影響發動機功率。國內外對汽車發動機高原試驗及理論研究表明，發動機輸出功率隨著海拔升高降低，燃油消耗率升高。

高原地區大氣壓力低，水的沸點下降，發動機熱負荷增大和冷卻系統散熱能力變差。研究表明，海拔升高1000米，發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動機的進氣量較平原地區的進氣量少，燃燒環境也隨之變差，導致在高原地區行駛的汽車發動機的有效功率降低。同時，因空氣密度下降，發動機的排氣散熱效率降低。在汽車行駛過程中，發動機排氣溫度不斷升高，發動機熱負荷增加。研究表明，在相同的工況和環境溫度下，海拔升高1000米，保持相同的發動機冷卻液工作溫度，冷卻系統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行駛，發動機進氣環境惡劣，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。這種現象對于高原上本來就進氣不足的發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，進氣不足會導致發動機氣缸內可燃混合氣燃燒不充分，發動機功率下降，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，造成發動機產生較大的排放污染。部分細小沙塵顆粒經空氣濾芯隨進氣道進入到發動機氣缸內部，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（PN）、硝酸鹽和氮氧化物（NOX）隨著海拔升高而增加。

因此，汽車在高海拔地區使用表現出發動機的功率和扭矩下降、燃油經濟性變差、發動機缸內燃燒環境惡化，易產生積碳，發動機排氣溫度升高熱負荷增加，磨損嚴重，發動機使用壽命降低，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 保養和采用含氧燃料

改變常規5000公里保養或者6個月保養習慣，在高原地區使用的汽車應縮短保養時間和保養里程。保證發動機進氣系統的清潔;及時更換機油，保證潤滑系統工作介質的清潔和整個系統的高效運轉。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，全國范圍內基本實現了添加10%乙醇汽油的應用。

2.2 增壓技術

目前廣泛運用在汽車發動機上的渦輪增壓技術，它是一種利用發動機四個沖程的最后一個排氣沖程所排出的廢氣來驅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動機，在高原工作時其功率下降、經濟性下降，但下降幅度好于費增壓發動機。這是由于渦輪增壓器在高海拔地區運行時具有一定的自動補償發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展，進一步可以控制燃燒氣體在熱效率較高的工作范圍內。增壓汽油機在高原環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動機發生爆燃的幾率。

2.3 其他方法

調整噴油系統參數，比如噴油時刻、噴油量、噴油系統壓力等，可以解決發動機高原功率恢復問題。在高海拔地區，發動機壓力循環線都低，這是由于低氣壓導致吸入氣缸內空氣較少，發動機在吸氣終止時缸內壓力及溫度減小，最終導致壓縮終止時缸內壓力及溫度降低。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，提高發動機熱效率。點火提前角增大，將使發動機缸內廢氣殘余量增大，滯燃期增長，火焰傳播速度降低。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化，如：優化排氣管的長度、截面積等，提高利用廢氣增加渦輪增壓器的工作效率;由于高原環境下進氣壓力低，汽油機產生爆振的傾向降低，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;供油系統結構優化，通過對高壓油泵和噴油器結構參數進行優化，優化噴油參數、提高燃油霧化效果。

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