高原环境对车辆动力性的影响及动力提升措施

周广猛,刘瑞林,许翔,孙文龙,石秉良,祁涛,谢来卿

(1.军事交通学院,天津300161;2.中国人民解放军63969部队,南京230026)

综 述

高原环境对车辆动力性的影响及动力提升措施

周广猛1,刘瑞林1,许翔1,孙文龙1,石秉良2,祁涛2,谢来卿2

(1.军事交通学院,天津300161;2.中国人民解放军63969部队,南京230026)

摘.要:在总结我国高原气候和地理环境特点的基础上,从反映车辆动力性能的指标出发,以加速时间、最大爬坡度和最高车速入手,理论分析了对整车高原动力性影响较大的因素,主要包括有效热效率、循环喷油量、滚动阻力系数、空气密度对空气阻力的影响等。通过分析高原环境对这些因素的影响,总结出了高原环境对车辆动力性的影响机理,并进一步提出了整车高原动力性改进的技术措施,认为先进增压、燃烧优化、高压共轨燃油喷射、高原环境标定、热平衡控制和富氧进气燃烧等技术措施成为提高车辆动力性的有效技术措施。

车辆;高原环境;动力性;提升

KEY WORDS:vehicle;plateau environment;power performance;improvement

在世界地理环境中,我国高原具有海拔高和面积广的特点。海拔3 km以上的高原地域占全国陆地总面积的26%,仅我国的青藏高原就达230万平方公里,平均海拔在4 km以上[1—3]。全世界海拔2 km以上的地域,才占全球陆地总面积的13.2%,远低于我国高原的相应比例。随着海拔高度的升高,环境参数发生变化。海拔每升高1 km,大气压力平均下降9.5 kPa,空气密度平均减小0.092 kg/m3,空气含氧量平均减少30.18 g/m3,大气温度平均下降4℃,水沸点平均降低2.7℃[4—5]。同时高原环境外通条件差而少,公路技术等级低,质量差,其中四级和等级外公路占80%左右[1]。高原环境下气候和地理环境条件的变化导致车辆机动性能降低、加速时间和加速距离加长、最高车速下降、最大爬坡度减小、载质量减少、运输效率下降[6],车辆的动力性下降。加速特性和爬坡性能是制约车辆高原适应性好坏的主要因素[7],这意味着整车的动力性已成为制约车辆高原适应性的关键因素,对车辆的综合性能造成影响[8]。对于军用车辆装备而言,由于机动性是军车最重要的评价指标之一,因此对车辆装备高原动力性能的要求更为严格。当前,车辆的动力性随海拔高度的升高而下降已经成为了共识,但高原环境对车辆动力性影响主要从高原环境对发动机性能的影响进行分析或者等同[9—12],缺乏全面而具体的分析。笔者从反映车辆动力性能的指标出发,利用理论分析的方式,能够更为全面地分析高原环境对车辆动力性的影响,并在此基础上,提出了车辆高原动力性能提升的技术措施。

1 高原环境对车辆动力性的影响机理分析

式中:Ft为驱动力,N;Ff为滚动阻力,N;Fw为空气阻力,N。

汽车的爬坡能力,是指汽车在良好路面上克服滚动阻力和空气阻力后的余力全部用来克服坡度阻力时能爬上的坡度,利用汽车行驶方程式确定Ⅰ挡及低挡爬坡能力时,应采用Gsinα作为坡度阻力,式(2)给出了最大爬坡度α的计算公式:

由式(1)和(2)可见,车辆的爬坡能力和加速能力均与[Ft-(Ff+Fw)]成正比。式(3)给出了发动机转速与汽车行驶速度之间的关系,在传动比确定的前提下,整车的最大行驶速度与发动机的标定转速成正比,而整车最大转速的实现,也取决于[Ft-(Ff+Fw)]。

由以上分析可得,整车的动力性与[Ft-(Ff+Fw)]直接相关。其直接的物理意义为:当车速低于最高车速时,若驱动力大于行驶阻力,汽车就可以利用剩余的驱动力进行加速或爬坡,甚至达到最大车速,令ΔF=Ft-(Ff+Fw),则ΔF反映动力性的大小。

式(4)给出了Ft的计算公式,Ttq可由式(5)表示。

式中:Ft为作用于驱动轮的转矩;Ttq为发动机转矩;ig为变速器的传动比;io为主减速器的传动比;ηT为传动系的机械效率;r为车轮半径。

式中:ηet为有效热效率;gb为循环供油量, mg/(缸·循环);Hu为燃料低热值;i为气缸数;h为发动机转速;τ为冲程数。

Ff可由式(6)表示:

式中:W为车轮负荷,N;f为滚动阻力系数。

Fw可由式(7)表示:

式中:CD为空气阻力系数;ρ为空气密度, N·s2/m4;A为迎风面积,即汽车行驶方向的投影面积,m2;ur为相对速度,在无风时即汽车的行驶速度ua,m/s。

将式(4)—(7)代入式ΔF=Ft-(Ff+Fw)中,可得:

由式(9)可见:车辆高原动力性能主要取决于有效热效率ηet、循环喷油量gb、机械效率ηT、滚动阻力系数f和空气密度ρ。

1)有效热效率ηet的影响。ηet能够表示车用发动机燃烧的完善程度,提高ηet不仅能够提高车用发动机的燃油经济性,也能够提高车用发动机的动力性。高原环境对ηet的影响较大,在高原环境条件下,大气压力降低,车用发动机的进气密度降低,发动机进气充量减小,过量空气系数降低,即便对循环喷油量进行调整,过量空气系数仍然随海拔的升高而降低。海拔每升高1 km,不同转速下的过量空气系数下降3%以上,低速工况过量空气系数甚至下降至1以内[13]。过量空气系数的降低,造成了压缩终点压力和温度降低,同时由于高原环境下混合气密度减小导致反应物分子之间的碰撞机率降低,混合气预反应的物理和化学时间延长,滞燃期延长。同时造成化学反应速度降低,燃烧持续期延长,后燃比例增长,平均指示压力降低,造成了高原环境下的指示热效率和有效热效率下降[14—17],发动机火用损失增大,引起发动机动力性下降[3,18—22]。特别是增压器匹配时无法兼顾低速工况,高海拔低转速下压气机效率降低,进气流量大幅下降,低速动力性下降幅度更加严重[23—24],造成整车的低速动力性下降,扭矩储备系数减小,爬坡能力降低。

2)循环喷油量gb的影响。当不对gb进行调整时,随海拔的增加,gb对整车动力性没有影响。随海拔的升高,发动机燃烧恶化,后燃增加,造成柴油机热负荷增大。某重型车用柴油机的试验结果表明:从平原到海拔4000 m,涡前排温最高上升180℃,缸内燃烧温度峰值上升300℃以上,活塞表面最高温度最多上升173℃[25];同时由于水沸点降低,容易造成冷却水开锅,而导致柴油机冷却能力下降。二者的共同作用,对柴油机在高原环境条件下的综合性能造成影响,甚至出现发动机气缸垫烧蚀和拉缸的现象,严重影响柴油机的使用性能,需要通过减少循环喷油量来降低发动机的热负荷。此外,随着海拔高度的升高,尽管大气密度降低,导致柴油机进气量减小,但同时涡轮背压也随之降低,增压比增大,增压器转速升高,特别是在高转速区域,增压器转速升高的更为明显,需要减少循环喷油量,防止增压器超速[21,26—28]。在高原环境条件下,对循环喷油量进行调整,适当牺牲发动机动力性,可以保证发动机可靠运转[13]。

3)机械效率ηT的影响。高原环境对机械效率ηT的影响主要是在高原环境下,空气密度的减小,减速器、变速器等处散热减少,造成的热损失增大,由于温度的变化对机械效率造成影响。高原环境对其影响程度较对车辆发动机动力性的影响程度小,由于在高原环境条件下风沙大,沙尘容易进入传动部件,同时空气的密度降低,空气散热能力降低,传动部件的温升增加,润滑油使用寿命减低,如果不能及时对车辆进行维护和保养,会造成车辆机械效率降低,影响车辆的动力性。

4)滚动阻力系数f的影响。滚动阻力系数f与路面的种类,行驶车速以及轮胎的构造、材料和气压等有关。在高原环境条件下,道路条件发生了变化,具体表现在路网稀而偏,密度小,外通条件差而少,公路技术等级低,这些道路通行条件的变化造成了道路滚动阻力系数的增大。特别是高原山路、高原荒漠等道路下,滚动阻力系数不同程度地增加。如与良好的沥青路面相比,碎石路面的滚动阻力系数增加1倍以上,坑洼的卵石路面增加3倍以上,干砂路面甚至达到了10倍以上。

5)空气密度ρ的变化对空气阻力的影响。对整车而言,高原环境的变化对整车的动力性提升也有有益的影响,主要体现在高原环境下空气密度的下降造成空气阻力降低,降低的幅度和空气密度降低的幅度一致,然而对空气阻力的减小程度有限,无法补偿高原环境条件的变化对整车动力性下降造成的影响。

结合上述分析,高原环境对车辆动力性的影响机理示意如图1所示。由该图可见,高原气候和地理环境均对车辆的动力性造成影响,其中发动机动力性的下降是车辆动力性下降的主要因素。研究表明,海拔高度每升高1000 m,非增压柴油机的功率约下降8%～13%,增压柴油机功率下降约1%～8%,增压中冷柴油机功率下降约1% ～4%[7]。在高原环境条件下,空气阻力的降低难以补偿发动机动力性的下降,造成车辆高原动力性的下降。除此之外,车辆在高原可靠性的降低也会对车辆动力性造成影响,这主要表现为车辆在使用过程中,由于其技术性能下降造成车辆动力性的下降。同时在高原环境条件下,制氧机等附件的使用也消耗部分动力,在上述因素影响下整车动力性的下降程度会进一步增加。

图1 高原环境对车辆动力性的影响机理示意Fig.1 Influencing mechanism of plateau environment on vehicle power performance

随着对车辆节能减排要求的不断增高,特别是对车辆的高原排放问题也逐渐得到重视[29],美国联邦环保署要求从2002年10月1日起,在用重型车必须满足NTE排放限值的规定[17]。该规定基于车载排放测试技术[26],对0～1676 m海拔范围内运行的重型车的排放做出了限制,欧洲要求在1600 m海拔范围内的NOx排放满足OBD法规[17,30]。国内北京理工大学[21,31]和昆明理工大学[49]现在已经开展高原环境条件对车辆排放影响的研究。对高原排放要求的不断增高,造成整车动力性的降低,国内外尚未对其进行定性分析。

2 提高整车高原动力性的技术措施

1)采用可变截面涡轮增压、二级增压等先进增压技术。虽然传统的废气涡轮增压柴油机能够部分恢复高原动力,但仍然存在动力性不足、经济性差、转矩特性不良、增压器超速、热负荷大、适应性系数低等问题[32]。虽然受压力和流量的限制,可变截面涡轮增压技术,高原功率恢复有限,但在一定程度上能够实现变工况变海拔的控制,有利于提高发动机的低速和瞬态特性。由于二级增压技术特别是融合可变截面涡轮增压的二级增压技术具有宽广的流量范围和更高的效率,因此其具有更大的变海拔适应性潜力[33—35]。

2)采用燃烧优化技术。高原下发动机燃烧恶化,指示和有效热效率下降,影响发动机的动力性。采用燃烧优化技术,通过优化喷油定时、循环喷油量,能够改善车用发动机高原燃烧,提高其动力性。在对循环喷油量进行优化时,需要适当减小喷油量,提高空燃比,改善燃烧;在进行喷油定时优化时,可以通过适当提前喷油,增加上止点附件燃烧放热量,提高发动机燃烧效率[36]。

3)采用高压共轨燃油喷射技术。该技术是建立在直喷技术、预喷射技术和电控技术基础上的一种全新概念的喷油系统[37]。它克服了柴油机机械式供油系统中转速对轨压的影响,轨压、喷油过程和喷油持续期不受负荷和转速的影响,喷油定时与燃油计量完全分开,可以实现预喷射、三角形喷射、后喷射和多段喷射等,有利于全面改善整机性能[38—39]。在高原环境条件下采用该技术,一方面能够改善发动机在高原环境条件下的雾化特性,另一方面能够采用更灵活的喷油策略,更方便地实现喷油参数的大气压力修正,从而改善发动机高原燃烧,提高整机动力性[36,40]。

4)采用高原环境标定技术。采用电控技术后,车辆的高原动力性在很大程度上取决于高原环境标定的好坏,否则其整机性能可能比不采用电控技术下降得更多。在柴油机上采用电控后,燃油喷射参数、增压控制参数[41]、废气再循环参数[35,42]等控制参数均要考虑高原标定问题。西弗吉尼亚大学和墨西哥城环境署对9台柴油车进行高海拔试验时发现:由于Volvo VE D7C-300高压共轨柴油机高海拔匹配和标定工作不完善,在墨西哥城(海拔2133.6 m)运行时,出现排放性和经济性恶化,动力性下降的问题[43]。通过对某车进行高原优化标定后,与平原相比,该车在格尔木地区最高档40～80 km/h加速由原来下降22.0%改善到4.8%,起步连续换挡0～80 km/h由原来下降8.6%改善到3.0%[44],整车动力性得到明显改善。

5)采用热平衡控制技术。对散热器等部件进行优化设计[45],通过采用电控水泵、电控风扇[46]等,根据高原环境条件、运行工况等参数,来动态调整冷却风扇转速、节温器的开启等,控制整机的冷却量,解决车辆在高原地区的热平衡问题。特别是通过运用发动机高原热管理技术充分挖掘车辆动力性提升的潜力[47],使热平衡这一约束条件能够保证整车动力性能的发挥。

6)采用富氧进气燃烧技术。车辆高原动力性下降主要是由于在高原环境条件下,空气稀薄、氧含量低造成的。富氧进气燃烧技术的应用可以有效地改善燃烧,提高车辆的动力性[48—49],但受制于现阶段制氧技术水平的限制,如膜法富氧技术的能耗较高,当前该技术还处于研究阶段[50]。

3 结语

在高原环境条件下,随海拔的升高,整车动力性降低,已成为制约车辆高原适应性的关键因素,对车辆的综合性能造成影响。对在高原环境条件下发动机有效热效率、循环喷油量等影响整车动力性的因素进行了分析,明确了高原环境对整车动力性的作用机理,进一步总结了先进涡轮增压技术、燃烧优化技术、高压共轨燃油喷射技术、高原环境标定技术、热平衡控制技术、富氧进气燃烧等技术改善整车高原环境下的动力性能。

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Effects of Plateau Environment on Power Performance of Vehicles and Measures to Improve Power Performance in Plateau

ZHOU Guang-meng1,LIU Rui-lin1,XU Xiang1,SUN Wen-long1,SHI Bing-liang2,QI Tao2,XIE Lai-qing2

(1.Military Transportation University,Tianjin 300161,China;2.63969 PLA Troops,Nanjing 230026,China)

Based on summarizing characteristics of climatic and geographical environment,the factors which affect dynamic performance of vehicles characterized by acceleration time,maximum gradability and maximum vehicle speed evidently were analyzed theoretically,which included effective thermal efficiency,fuel delivery per cycle per cylinder,coefficient of rolling resistance and effects of air density on air friction,etc.The mechanism of plateau environment on power performance of vehicles were got by analyzing the impacts of plateau environment on these factors.Then technical measures to improve plateau power performance of vehicles were put forward.Advanced turbocharging technique,combustion optimization technique,common rail fuel injection technique,plateau environment calibration technique,heat balance control technique and oxygen-enrichment combustion technology were deemed to be effective measures to improve power performance of vehicles in plateau.

10.7643/issn.1672-9242.2014.03.010

TK421

:A

1672-9242(2014)03-0045-07

2014-03-06;

2014-03-30

Received:2014-03-06;Revised:2014-03-30

周广猛(1984—),男,山东邹城人,博士,讲师,主要研究方向为动力机械环境适应性。

Biography:ZHOU Guang-meng(1984—),Male,from Zoucheng,Shandong,Ph.D.,Lecturer,Research focus:environmental adaptability of power machine.