高原环境对汽车发动机性能影响分析

梁永勤 惠文栋

摘要：在总结西藏汽车保有量增长情况和西藏高原环境高海拔所带来的空气稀薄，气压低，含氧量少的基础上，分析了高原地区对汽车使用性能的影响，提出了相应的措施，对于减少汽车在高原地区使用过程中发动机的过热及异常磨损，提高汽车的燃油经济性，减少环境污染具有非常重要的意义。

关键词：高原环境;发动机使用性能;影响;措施

中图分类号：U471.14                                    文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）15-0069-02

0  引言

汽车正加速“驶”入西藏寻常百姓家，据统计，2020年，西藏日均新车上户166辆;截至2020年底，西藏机动车保有量达到656703辆，机动车驾驶人达613682人。随着拉萨至林芝、拉萨至那曲、泽当至贡嘎等一条条高等级公路建成通车，以及大量农村公路改扩建，西藏全区公路通车总里程达到11.67万公里，群众出行有了更便捷的方式。西藏全区人民收入水平的快速增长，是汽车保有量增加的关键。与此同时，近年来西藏不断加大市政工程建设，改善交通基础设施，先后在拉萨市、日喀则市等地建成立体交通网络。随着人民生活水平的提高，交通基础设施的改善，服务水平的提高，西藏全区人民的汽车购买力将持续增强，汽车数量将越来越多。

在中国中西部的高原地区，占到了全国土地总面积的65%。因西藏特殊的地理位置，全区总面积122万多平方公里，海拔高度在4000米以上的区域就超过了100万平方公里。高海拔对空气含量，氧含量及大力压力都产生了很大的影响。据统计，西藏高原地区平均空气密度为海平面空气密度的60-70%，高原空气平均氧含量只有海平面的60-65%，同时，随海拔高度升高，大气压力逐渐降低。在高海拔地区，车辆普遍存在动力明显下降，热负荷和油耗增大，冷却系统散热能力严重不足等问题。基于这样的环境，汽车从平原来到高原，在使用的过程中受气压低，氧气含量少的影响，汽车的使用性能表现出一些差异和特点，研究高原环境对汽车使用性能的影响，对减少汽车使用过程中的噪声振动，提高汽车的燃油经济性，减轻环境污染具有非常重要的意义。

国内外研究学者普遍在上世纪80年代开展了高海拔对发动机的影响研究。其中美国西南研究院以一台自然吸气发动机和一台涡轮增压发动机为研究对象，研究得出无论是自然吸气还是增压发动机，随着海拔的增加，一氧化碳，HC化合物和颗粒比排放均上升，NOX呈现下降的趋势。国内而言，潍柴与西宁稿源工程机械研究所在海拔3800米对某发动机进行了高原实地试验，研究指出发动机最大功率下降了28.2%，有效燃油消耗率上升了10%，高海拔情况下同一工况点排温升高超过10%。同时，研究指出由于高原环境下发动机冷却系统散热能力需求较高，试验表明海拔每升高1000米，发动机水套平均散热量增大5.3%，冷却系统所需冷却空气流量平均增大8.8%，冷却系统的散热能力必须随海拔升高而增大。冷却系统设计不足，导致发动机冷却水开锅，拉缸及汽缸垫烧毁发生概率明显提高。

1  高原环境对汽车使用性能的影响

西藏海拔4000米以上的地区占全区总面积的85.1%，随着海拔高度增加，大气压力降低，空气密度降低，和平原地区相比，高原地区海拔高、气温低、单位时间内的进气量减少，氧气含量降低，研究表明，海拔每升高1000米，低转速下进气流量甚至减小了7.2%，在中高转速下也减少了3.1%。小负荷时发动机工作不稳定，而柴油机在大负荷时排烟恶化，最大功率明显下降，同时有效燃油效率降低，油耗增大，排放恶化。因目前发动机绝大部分采用电控技术，在相同转速时喷油量基本无变化，因而过量空气细数变小，使燃油混合气无法充分燃烧、燃烧恶化。

从表1可以看出，随着海拔增高，大气压力降低，空气密度下降，这会导致发动机充气系数降低。从汽车原理可知，发动机平均指示压力与充气系数成正比，因此随着海拔的升高，发动机平均指示压力将降低。对于某确定发动机，平均指示压力直接影响发动机功率。国内外对汽车发动机高原试验及理论研究表明，发动机输出功率随着海拔升高降低，燃油消耗率升高。

高原地区大气压力低，水的沸点下降，发动机热负荷增大和冷却系统散热能力变差。研究表明，海拔升高1000米，发动机水套散热量平均增加5.3%，冷却液工作温度每升高5度，发动机水套散热量平均降低约7.2%。汽车从平原行驶进高原的过程中，因海拔高度逐渐上升，单位面积内的空气量减少，气压降低。因此，在相同工况下，在高原条件下行驶的汽车发动机的进气量较平原地区的进气量少，燃烧环境也随之变差，导致在高原地区行驶的汽车发动机的有效功率降低。同时，因空气密度下降，发动机的排气散热效率降低。在汽车行驶过程中，发动机排气温度不断升高，发动机热负荷增加。研究表明，在相同的工况和环境温度下，海拔升高1000米，保持相同的发动机冷却液工作温度，冷却系统所需的冷却空气流量增大约9%。

西藏高原是典型的荒漠地带，干燥多风，雨季时间短，空气含尘率高。汽车长时间在高原地区行驶，发动机进气环境恶劣，空气中大量的沙粒灰塵将会附着在空气滤清器滤芯上，如果不定期进行清洁或者更换空气滤清器，将大大增加进气阻力。这种现象对于高原上本来就进气不足的发动机来说无异于雪上加霜，会导致进气量更加不足，按照燃烧的相关理论，进气不足会导致发动机气缸内可燃混合气燃烧不充分，发动机功率下降，部分然后不能转化成有效功率，油耗增加。同时，会影响NOX的排放、增加烟度，造成发动机产生较大的排放污染。部分细小沙尘颗粒经空气滤芯随进气道进入到发动机气缸内部，在运动机件的摩擦面之间形成磨粒，造成磨粒磨损，增大发动机的异常磨损，降低寿命。有研究表明随着海拔升高，一氧化碳（CO）、颗粒数（PN）、硝酸盐和氮氧化物（NOX）随着海拔升高而增加。

因此，汽车在高海拔地区使用表现出发动机的功率和扭矩下降、燃油经济性变差、发动机缸内燃烧环境恶化，易产生积碳，发动机排气温度升高热负荷增加，磨损严重，发动机使用寿命降低，研究表明，在10米和1000米的海拔高度，烟雾随着发动机负载增加呈线性增加，但当海拔超过1670米后，烟雾急剧增加。

2  改善方法

2.1 保养和采用含氧燃料

改变常规5000公里保养或者6个月保养习惯，在高原地区使用的汽车应缩短保养时间和保养里程。保证发动机进气系统的清洁;及时更换机油，保证润滑系统工作介质的清洁和整个系统的高效运转。同时采用含氧燃料，即在燃料中参入酒精及其他含氧化合物，由于参入的成分中均含有氧原子，理论上燃烧时所需空气量减少，从而补偿由于低气压而导致的充其量不足。有研究表明，采用含氧量高的燃料，其能力随着海拔升高而提高。目前，全国范围内基本实现了添加10%乙醇汽油的应用。

2.2 增压技术

目前广泛运用在汽车发动机上的涡轮增压技术，它是一种利用发动机四个冲程的最后一个排气冲程所排出的废气来驱动空气压缩机的技术。研究表明，对于涡轮增压或者增压中冷發动机，在高原工作时其功率下降、经济性下降，但下降幅度好于费增压发动机。这是由于涡轮增压器在高海拔地区运行时具有一定的自动补偿发动机功率下降的能力。当海拔高度升高，大气压力降低，涡轮的膨胀比增大，增压器转速上升，使压气机压比升高，部分补偿了充气量不足造成的影响。海拔高度对自然吸气和增压发动机的动力性能影响如表2所示。

汽油机涡轮增加首先将环境P0，T0增压到较高的Pt，Tt后，可以以较高的密度流过化油器，与燃料相混合后再进入气缸，目前汽油机电喷技术的发展，进一步可以控制燃烧气体在热效率较高的工作范围内。增压汽油机在高原环境下温度和压力较自然吸气高，目前汽油机的增压比一般可以控制在1.5～1.6之间，使发动机动力性能和燃油消耗率有所改善。但增压压力的增大，反过来也会提高汽油发动机发生爆燃的几率。

2.3 其他方法

调整喷油系统参数，比如喷油时刻、喷油量、喷油系统压力等，可以解决发动机高原功率恢复问题。在高海拔地区，发动机压力循环线都低，这是由于低气压导致吸入气缸内空气较少，发动机在吸气终止时缸内压力及温度减小，最终导致压缩终止时缸内压力及温度降低。在不同海拔下，喷油时刻极大的影响了最高燃烧压力，随着海拔、转速、负荷的增加，喷油提前量也越大，海拔4000米需要比平原提前5度，喷油提前，使得预混合燃烧量增加，最高燃烧压力增大，能够部分补偿因进气压力降低造成的燃烧压力下降，提高发动机热效率。点火提前角增大，将使发动机缸内废气残余量增大，滞燃期增长，火焰传播速度降低。喷油提前，使预混合燃烧量增大，能够部分补偿因进气压力降低造成的最高燃烧压力下降，提高发动机的热效率，改善燃烧。研究表明，在轻载工况下，高海拔地区吸入的空气量仍大于燃料燃烧所需，随着海拔升高，燃烧开始延迟，因此点火延迟时间延长，预混燃烧权重增加，略有改善烟雾。对相关部件进行结构优化，如：优化排气管的长度、截面积等，提高利用废气增加涡轮增压器的工作效率;由于高原环境下进气压力低，汽油机产生爆振的倾向降低，可以采用消薄汽缸盖和重新加工燃烧室的办法，燃烧室结构优化的同时提高气缸体材料的力学性能，最大限度的提高压缩比;供油系统结构优化，通过对高压油泵和喷油器结构参数进行优化，优化喷油参数、提高燃油雾化效果。

参考文献：

[1]李瑞发，杨峰华，黄大生.高原环境下柴油机增压技术研究与应用[J].内燃机与配件，2017（15）：114-115.

[2]许翔，刘瑞林，董素荣，刘刚.车用柴油机高原性能模拟试验及性能提升策略[J].中国机械工程，2013（17）：2403-2407.

[3]李思鼎，陈国安.高原和高寒环境对车辆的影响分析[J].技术与研究，2009（2）：43-45.

[4]周广猛，刘瑞林，许翔.高原环境对车辆动力性的影响及动力提升措施[J].装备环境工程，2014（11）：45-75.

[5]石建，刘献栋.高原条件下车辆动力性能分析及改进研究[C]//2009中国汽车工程学会年会论文集，2009.

[6]王玉伟，刘乐，赵伟，等.轻型汽油车海拔环境排放和油耗特性的研究[J].汽车科技，2014（3）：48-52.

[7]Wang J， Yuan J， Liu S， et al. Controlling Emissions and Correcting Power of Nonroad Naturally Aspirated Diesel Engine Operating at High Altitude[J]. Journal of Energy Engineering， 2019， 145（6）：04019025.