高原环境对汽油机性能影响及改进措施_侯逸飞.pdf

年第期高原环境对汽油机性能影响及改进措施侯逸飞，李嘉诚，胡誉缤，刘学渊（西南林业大学 机械与交通学院，云南 昆明 ）摘要：针对高海拔地区汽车性能普遍下降的现象，结合高海拔地区气压较低，含氧量较少的地理环境因素，分析其性能下降的原因，提出了一系列的改进措施，对于提升汽车汽油机在高海拔地区的性能，减少发动机内部机件的损耗及延长其使用周期具有重要意义。关键词：汽油机；高海拔地区；提升性能；改进措施中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，：；作者简介：侯逸飞（），男，云南玉溪人，汉族，本科，研究方向：汽车服务工程。引言我国的地势辽阔，地形复杂，山地、高原和丘陵约占陆地面积的，海拔 米以上的地区占国土总面积的 ，海拔 米以上的地区占比。其中，青藏高原和西藏地区的总面积就达 万平方公里，约占国土总面积的 。公路交通的完善，是高原地区经济建设的基础和先决条件，由于高原地区特殊的地理环境条件，公路交通运输是其货物运输的主要途径。近年来，我国高原地区的基础交通建设逐步完善，汽车作为一种主要的交通工具，逐渐驶入了家家户户，截至 年 月，西藏地区和新疆地区的汽车保有量分别达到了 万辆和 万辆。由于国内高海拔地区较多，高原环境较为复杂，因此国内研究学者针对高原环境对汽车发动机的影响进行了大量的研究。赵亮等人研究了海拔模拟系统在发动机台架试验中的应用问题，梁永勤等人分析了高原环境下影响发动机输出功率的因素。由于高原地区海拔较高，空气稀薄，含氧量低，燃料燃烧不完全且燃烧速度较慢，从而导致发动机功率下降、油耗急剧增加，严重影响车辆性能。以海拔高度 为例，其大气压力为平原地区的，空气密度为平原地区的，若发动机不作调整，其动力性将下降 以上，燃料消耗量增加 左右。因此，基于高原环境的特殊性，分析汽车性能普遍下降的原因并提出解决方案，对于缓解高海拔地区汽油发动机动力衰减问题具有重要意义。高海拔环境对汽油机性能影响动力性。研究表明，海拔每升高 米，大气压力约下降 ，空气密度约减小 ，导致发动机的进气量不足，因此会影响发动机的充气效率。充气效率低，代表每循环进入气缸的新鲜充量较少，则发动机的功率和转矩都将降低。因发动机大多数采用电控燃油喷射系统，在输入相同的转速时喷油量几乎没有变化，进而导致喷油过多而进气量不足即混合气浓度过高，使可燃混合气燃烧不充分，导致发动机的转速难以提高。图汽油机功率与海拔高度的关系图汽油机转矩与海拔高度的关系由图和图可以看出，海拔高度每上升 米，发动机的输出功率和转矩均下降 左右。由发动机的有效指标可知，发动机的输出功率与转矩与其有效功率成正比关系，因此随着发动机的输出功率和转矩的降低，发动DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.01.035内燃机与配件 机的有效功率即曲轴对外输出的功率也随之降低，进而导致发动机 的 平 均 有 效 压 力 降 低，从 而 影 响 发 动 机 的 动力性。燃油经济性。汽油机在高原环境下长期运转，由于含氧量较低、空气密度较小，导致可燃混合气过浓，且燃烧不完全，汽油机的有效热效率也随之减小，从而使汽油机燃油消耗率随海拔的升高而增加。同时，因大气压力降低，燃料的蒸发性提高，易产生气阻和渗漏，从而使油耗增加，导致经济性降低。冷却系统散热性。汽油机的冷却性能受大气压力和温度的 影 响 较 大。在 低 温 低 压 的 工 况 下，海 拔 每 上 升 米，若要保持发动机冷却液工作温度在正常范围内，冷却系统所需的冷却空气流量约增加，但由于高原空气密度较低，冷却风量小，不能保证冷却系统所需的冷却空气流量，导致冷却系统的能力降低。冷启动性能。由于高海拔地区大气压力低，昼夜温差大，因此在汽油机冷启动时，进气流量较少，进气温度较低，导致缸内混合气在进气终了时的压力和温度均有所降低，使汽油机的燃烧条件很难达到续燃要求。同时，在低温低压的环境下，蓄电池的实际容量也会减小，造成发动机实际启动的转速低于冷启动必须的最低转速，造成冷启动困难。排放性。高海拔地区的氧含量较低，尤其是在高负荷条件下，因氧气进气量不足，使过量空气系数降低，导致可燃混合气燃烧不充分，会产生大量的积炭，随排气管排出会对氧传感器和三元催化器造成危害，同时会导致有害气体的排放增加。图有害气体增长率与海拔高度的关系由图可以看出，随着海拔高度的升高，碳氢化合物（）及一氧化碳（）的排放量也随之增多，会造成较大的排放污染。发动机使用寿命。汽油机在低温低压的工况下，进入气缸的可燃混合气温度过低，雾化性降低，造成点火困难或燃烧迟缓，导致气缸压力下降和润滑条件变差、气缸内部的摩擦阻力增加。同时，不完全燃烧容易在活塞顶、气门及火花塞上形成积炭，积碳会加剧机件的磨损，导致发动机的使用寿命缩短。提升汽油机性能的改进措施 采用可变压缩比技术压缩比是气缸最大容积与最小容积的比值，也是活塞位于 与 时气缸内体积的比值，在高原环境下，由于空气稀薄，气缸内实际充气量相较于平原有所减小，在压缩行程终了时缸内压力和燃烧温度较低。在高原工况下，采用气缸可变压缩比技术，即在进气口的氧含量传感器检测到氧含量下降时，通过改变活塞到达 时的缸内容积，增大发动机的压缩比，使气缸内的压强增大，且使燃料燃烧更加充分。此外，海拔改变缸内压缩比的公式如下：（/）/式中，为实际压缩比，为海拔高度。根据公式可知，一款压缩比为：的汽油发动机，在海拔升高 米后，可将压缩比从：改变为/：。相比于传统固定压缩比的内燃机，采用可变压缩比的发动机在高原环境下能具有更好的动力性和燃油经济性。可以有效地解决传统汽油内燃机在高原环境下出现的动力不足和油耗增高等问题。采用电子涡轮如图所示，电子涡轮是一种新型的汽油发动机涡轮增压器，它主要由电机驱动涡轮转动，实现进气压力的增大，从而使发动机的进气效率提升。相比于传统涡轮增压由发动机燃烧排出废气来驱动涡轮转动的方式，电子涡轮由电机直接驱动，具有无迟滞、响应迅速等优点，可以保证发动机在低转速时有稳定的动力输出。图电子涡轮另外，发动机的增压比公式如下：式中，为增压后的空气压力，为增压前的空气压力。根据公式计算可得，此种高增压电子涡轮的增压比约为/，而普通涡轮的增压比约为 至 之间；故在高原环境下采用电子涡轮增压的方式，可以有效提高发动机的进气效率，从而缓解传统汽油发动机在高原工况下的动力衰减问题。例如：一款未配备电子涡轮增压器的汽油机在海拔高度为 米时，能达到的最大功率为 ，当海拔上升至 米时，发动机最大功率将会衰减 左右，当此款发动机采用了电子涡轮增压器以后，发动机的功率衰减将会降至 左右。因此，电子涡轮增压器能有效缓解汽油机在高原环境下的动力衰减问题。采用可变截面涡轮可变截面涡轮与传统的涡轮增压器相比，极大的改善了低转速时的响应时间和加速能力。其分为可变喉口涡轮，舌形变截面涡轮，可变喷嘴环涡轮三种模式。可变喉口涡轮是将一个可变喉口装置置于发动机排气管出口与涡轮入口之间，根据高原环境中不同的工况改变吼口的开度，以达到改善发动机与增压器匹配性能的 年第期目的。舌形变截面涡轮在涡轮进气截面后加一舌形可调喷嘴叶片，通过舌形叶片的摆动，改变蜗壳的面径比 值，使得发动机低速时减小，提高涡轮转速，增加增压压力；高速时，有较大的值。可变喷嘴环涡轮采用的是活动的喷嘴环叶片，喷嘴环叶片可以绕着各自的轴心共同旋转，随着喷嘴环叶片角度的改变，涡轮机最小流通截面积以及排气进入涡轮的角度和速度都将发生变化，从而改变了涡轮机的转速和压气机出口端的增压压力。在高海拔地区，发动机低速运转时，喷嘴环截面积减小，涡轮速度上升，增压压力增加，保证了低转速时的增压压力和进气量；发动机高速运转时，喷嘴环截面积增大，涡轮转速下降，防止增压器超速发动机加速时，为了提高增压器的响应速度，可减小喷嘴环截面积，提高增压器转速，从而提高增压压力和进气量，满足瞬态工作时的进气要求。采用燃油混合喷射系统燃油混合喷射系统是一种将多点喷射和缸内直喷的优势相结合形成的一种新型燃油喷射技术。其工作原理为：在不同工况下，由 控制缸内直喷、多点电喷和混合喷射三种燃油喷射方式相互转换。在低负荷工况时，歧管喷油嘴在气缸进气行程时供油，混合气进入气缸，再配合压缩行程时气缸内喷油嘴喷油，从而实现分层燃烧；中等负荷时，采用歧管喷射和缸内直喷混合喷射；高负荷时采用缸内直喷。从而保证发动机在高海拔地区多变的工况下能够稳定运转以及保持良好的燃油经济性。相比于传统缸内直喷或多点电喷，混合喷射更不易造成燃油附着在进气歧管上或缸内颗粒物过多造成积碳等不良情况；并且在高原多坡路及路面不平整的情况下，能够保证火花塞点燃缸内混合气的稳定性。同时保证了汽油机的燃油经济性以及汽车在高原环境下行驶的动力性。采用可变进气歧管技术可变进气歧管技术是通过改变进气管的长度或截面积，提高燃烧效率，使发动机在低转速时更平稳，高转速时更顺畅，以获得更高功率。其原理是通过控制进气道内双向阀门的开闭，使气流在不同的工况下流经不同进气道，从而实现发动机更好的供气效果，使可燃混合气混合更加均匀。在低转速下，使用细长型的进气歧管，增强气流流速并提高进气压强，使气缸内的燃油与空气更好的进行混合。在高转速下，发动机对混合气的需求量变大，阀门通过开闭，使气流流向粗短型的歧管，提高了进气流量，使发动机的动力输出得到保障。相比于传统的自然吸气发动机，采用可变进气歧管技术能在高原环境中保证稳定的动力输出，弥补了自然吸气发动机在高原环境下动力衰减较大的问题。其他方法相比于平原环境，高原环境更为复杂，氧含量相比平原较低，并且山多路险，多沙石等环境因素都会影响汽车发动机的稳定工作。在此环境下，为了保证发动机稳定的动力输出还可以采用增加气缸的进气门个数，增大气门直径以及改进配气凸轮型线等方法来提升发动机的充气效率，从而使发动机在高原工况下的动力输出稳定。此外，在设计进气道时，应保证进气道的形状能够使新鲜充量在气缸内形成涡流，以利于混合气的形成和燃烧；进气管应有足够的流通截面，表面光洁，避免急转弯和流通截面的突然变化，使进气有较高的流速，确保燃料的雾化与蒸发。对于发动机在高原环境下散热性能较差的问题，可以增加水箱的撞风面积，从而解决发动机在高原环境下散热性能较差的问题。结语在高海拔地区，汽油机的性能受到低温、低压、低氧的影响，导致各方面的使用性能状况下降。本文针对汽油机在高海拔地区下性能普遍下降的现象，提出了采用电子涡轮、增加 轻混系统等一系列改进措施，以提高汽油机在高海拔地区的性能。参考文献：梁永勤，惠文栋高原环境对汽车发动机性能影响分析内燃机与配件，（）：王智慧试论适应我国高原环境的车辆动力解决方案 装备制造技术，（）：赵 亮，李世峰，吴春玲，景晓军，刘卫林海拔模拟系统在发动机台架试验中的应用内燃机与配件，（）：程源，高玉振，卢生林，刘培培 高原高寒环境对汽车制动性能的影响汽车工程师，（）：顾汝彬，王成恺青藏高原环境对车辆装备技术性能的影响 汽车运用，（）：熊云高原地区行驶的车辆改用高原型柴油机的原因探讨内燃机，（）：