汽车在高原和山区条件下的使用(教案)

第七章 汽车在特殊条件下的使用第三节 汽车在高原和山区条件下的使用高原和山区条件指高海拔地区和山区复杂道路条件。

高原山区条件对汽车的使用性能有不利影响，应采取相应措施，保证汽车的技术状况和正常运行。

一、高原和山区条件对汽车使用的影响汽车在高原和山区条件下行驶时，由于海拔高、气压低、空气稀薄，导致发动机动力性和燃料经济性下降；汽车低挡上长大坡时，发动机易过热；同时，在山区复杂道路条件下行驶时，换挡、制动和转弯的次数多，底盘特别是行驶系的载荷大，轮胎磨损大，其制动系的负荷也增大。

1．海拔高度对发动机动力性的影响随着海拔升高，气压逐渐降低，空气密度减小（表7-3）。

海拔高度每升高1000m ，大气压力下降约11.5%，空气密度约减小9%。

海拔升高致使发动机的进气量减少，平均指示压力下降。

海拔高度、大气压力、密度及温度的关系 表7-3海拔高度（m ）大气压力（kPa ）气压比例空气温度（℃）空气密度(kg/m 3)相对密度010002000300040005000101.389.979.570.161.354.010.8870.78450.69180.60420.533158.52-4.5-11-17.5 1.22251.11201.0060.90940.81930.706310.90740.83150.74210.66850.6008 对于四冲程发动机而言，平均指示压力与发动机功率成正比，即：3i h i 10120pV n P -=ﾴ式中：i P -发动机指示功率，kW ；h V -发动机总工作容积，L ；i p -平均指示压力，kPa ；n -曲轴转速，r/min 。

平均指示压力随海拔高度升高而下降，同样发动机功率也随着海拔升高而下降。

海拔高度每升高1000m ，发动机功率和转矩分别下降12%和11%左右，见图7-11所示。

其主要原因为：①由于气压降低，外界与缸内的压差减小；又因空气密度小，使发动机充气量下降;②大气压力降低，使进气管真空度相应减小，点火推迟;③压缩终了的压力和温度降低，混合气的燃烧速度缓慢。

充气量下降和燃烧速率降低均会使发动机动力性降低。

海拔高度对柴油机性能的影响与之相似。

实际使用情况表明：海拔高度每增大1000m，自然吸气柴油机的功率下降约10%，柴油机性能随海拔高度的增加迅速恶化。

图7-12是某型直喷式自然吸气柴油机在三种大气压力下的外特性曲线。

从图中可见，大气压为100kPa时的最大转矩为199.4N·m，转矩储备系数为12.7%；大气压力为90kPa的最大转矩为174N·m；转矩储备系数为12.3%；而大气压力为80kPa时的最大转矩为155N·m，转矩储备系数为12.3%。

因此，大气压力低时，柴油机的外特性指标都相应下降。

图7-12 三种大气压力下柴油机的外特性曲线2．海拔高度对发动机运转稳定性的影响随着海拔高度的增加，大气压力降低，空气稀薄，混合气变浓，严重时会由于混合气过浓而不能稳定运转或产生喘振现象；进气管真空度下降，在原怠速节气门开度下则进气量不足，使发动机的怠速转速下降。

从图7-13可见，海拔每增高1km，怠速转速降低50r/min；同时，由于混合气过浓，发动机怠速稳定性差。

图7-13 海拔高度与发动机怠速转速的关系3．海拔高度对燃料经济性的影响随着海拔高度增大，汽车燃料的消耗量增大，如图7-14所示。

其主要原因是：①空气密度下降，充气量降低；若供油系统未经调整或校正，则空燃比变小，混合气变浓；②在高原山区道路上，汽车行驶阻力大；③发动机动力不足，且高原山区坡度陡而大，道路复杂，经常低挡大负荷行驶，油耗增大；④发动机大负荷工作时间增多，易过热并引起不正常燃烧，油耗增大；⑤气压降低，燃料挥发性提高，易产生气阻和渗漏，油耗增大。

大气压力从101kPa降至80kPa（海拔高度约2000m）对燃料蒸气压力、蒸馏特性的影响，与外界气温上升8~10℃所造成的影响相当。

图7-14 海拔高度对汽车行驶油耗的影响另外，汽车在高原地区运行，发动机与传动系的匹配情况发生改变，其综合性能指标必然下降。

图7-15为两种大气压力下发动机万有特性的对比图。

可见，大气压力降低时，其最经济有效燃油消耗区以及相适应的经济功率区明显向下偏移，等有效燃油消耗区明显变窄。

大气压力为80kPa时，万有特性封闭区域的经济燃油消耗率比大气压力为l00kPa时的高。

在中小负荷转速范围内，大气压力较低时，达到较低燃油消耗率的功率范围缩小。

因此，大气压力变化后，由于发动机的最佳工作范围发生变化，使汽车传动系与发动机的匹配情况发生了不利变化。

图7-15 两种大气压力下柴油机万有特性对比图4．汽车制动系在高原山区条件下负荷增加汽车在山区行驶，常需要制动减速，制动系使用频繁，致使摩擦副（摩擦蹄片和制动鼓，或者制动衬快和制动盘）经常处于发热状态。

特别是下长大坡时制动蹄的摩擦衬片温度高达400℃。

在这种情况下，摩擦衬片的摩擦系数急剧下降，严重时可能出现制动失效。

此外，由于持续高温，摩擦衬片磨损加剧并容易碎裂。

此外，汽车在山区行驶的制动安全性还存在两个问题：前轮失去转向能力、后轴侧滑。

前者容易发生在坡道、湿路面和超载的情况下；后者容易发生在平路、干路面和空载的情况下。

这两个问题造成了汽车前后轴制动力分配比例上的突出矛盾：第一种情况须防止前轮制动抱死；而第二种情况须防止后轮抱死或提前抱死。

此外，路面附着特性的变化（山区公路常见现象），道路曲率的变化等也会对汽车制动稳定性产生较大的影响。

气压制动的汽车在高原山区使用时，因空气稀薄，空气压缩机的生产率下降，供气压力不足；同时，由于制动次数多，耗气量大，常不能保证汽车，特别是汽车列车制动的可靠性。

液压制动的汽车在山区行驶时，使用制动频繁，制动器摩擦副因摩擦而生热，制动器摩擦副摩擦生热易使液压制动系温度升高。

若使用的制动液沸点低，制动液易于蒸发而产生气阻，引发紧急制动失灵。

5．汽车在高原、山区条件下使用的其他问题海拔高度对排气污染物的形成也有影响。

海拔高度影响发动机的空燃比，空燃比的变化又导致排气成分浓度的改变，从而影响有害物质的排放量。

图7-16NO的关系。

可见，CO、HC的排所示为海拔高度与发动机排气中的CO、HC和xNO的浓度则有所下降。

放浓度随海拔高度增高而增大，而x高原行车时，由于发动机功率下降，且高原山区道路复杂，行驶阻力大，因此发动机大负荷工作的时间比例增大，发动机易过热。

发动机工作温度升高，使润滑油粘度变小，氧化速度加快；同时，过浓的混合气不能完全燃烧，液体燃油窜入曲轴箱后，会稀释润滑油而加快润滑油变质。

润滑油品质变差使发动机润滑不良，磨损加剧。

在山区复杂道路条件下行驶时，换挡、制动、转弯次数多，汽车行驶系及轮胎所受动载荷和摩擦增大，行驶系的零部件和轮胎受力变形大，轮胎磨损剧烈。

二、汽车在高原山区使用时改善发动机性能的主要措施在高原山区使用时，发动机功率下降，油耗增多，磨损加剧。

改善发动机性能的主要措施有提高压缩比、调整油电路、采用增压设备、采用含氧燃料、改善润滑条件以及加强维护等。

1．汽车选购若汽车需经常在高原地区使用时，应购买汽车制造厂为高原地区专门设计、制造的，适合在高原山区条件下使用的汽车。

2．提高发动机的压缩比随着海拔高度的增加，发动机的实际充气量下降，压缩行程终了时气缸内压力及温度相应降低。

提高压缩比不仅可提高压缩终了的温度与压力，增大膨胀比，加快燃烧速率，改善燃烧过程，减少热损失，而且可采用较稀的混合气，从而提高了发动机的动力性和燃料经济性。

同时，压缩终了时气缸内的压力及温度降低后，爆燃倾向减小，具有提高压缩比的有利条件。

压缩比的选定与汽油的辛烷值有直接关系。

汽油的辛烷值越高，爆燃倾向越小，压缩比就可相应地选大一些。

图7-17所示为燃料辛烷值与压缩比的关系。

不同海拔高度时，发动机压缩比的经验计算式为3.8(10.00002257)z z e e =-或图7-16 海拔高度与排气中有害气体浓度的关系图7-17 燃料辛烷值与压缩比的关系0(1)z z g e e e g =+-式中：e -设计压缩比；z e -海拔高度为z 时的使用压缩比；z -海拔高度，m ；0g -零海拔高度、气压101.3kPa 、气温15℃时的空气密度，kg/m 3z g -海拔z （m ）时的空气密度，kg/m 3除这些使用因素外，压缩比还与大气温度、汽车负荷、发动机热状态等因素有关。

因此，提高发动机压缩比时，应根据具体使用条件，合理选择压缩比。

3．合理选择配气相位合理选择配气相位可以提高发动机的充气系数，改善发动机的动力性和燃料经济性。

配气相位的确定，应与发动机的实际转速范围相适应。

发动机的转速不同，进、排气门开、闭角对气流惯性的影响也不同，因而进、排气门开闭的最有利的角度应随之变化。

在进、排气门开、闭的四个时期中，进气迟关角和排气提前角的影响最大。

合理的进气迟关角可利用气流惯性提高充气系数，在一定的气流惯性下，对应着一个最佳迟关角。

减小进气迟关角能提高低转速下的充气系数，改善发动机低速范围的动力性与经济性；反之，增大进气迟关角，对经常处于高速运转的发动机有利。

排气提前角主要影响作功行程中膨胀功损失P w 和排气行程中排气功损失P x 。

排气提前角增大，P w 增加，P x 减小；排气提前角减小则P w 减小，而P x 增加。

最佳的排气提前角可使（P w +P x ）值最小。

试验表明，随着发动机转速的提高，排气提前角亦应增大。

4．调整油、电路随着海拔高度增大，充气量减小，若供油系不进行调整，则混合气变浓，燃料燃烧不完全。

为此，应按海拔高度调整燃料供给量，并适当增大空气量，以改善混合气的形成，提高发动机的动力性和燃料经济性。

图7-18所示为某型发动机供油系调整前后的功率、油耗与海拔高度的关系。

图7-18 某型汽车发动机供油系调整前后的功率、油耗与海拔高度的关系1-调整前；2-调整后；P-功率；Q-油耗随着海拔升高，发动机压缩终了的压力降低，火焰的传播速度减慢；又因空气压力降低，使真空提前装置的工作受到影响，在相同工况下真空提前装置的提前量减小；同时，压缩终了时缸内压力低，火焰传播速度减慢。

因此，可将点火提前角略为提前1°~2°；也可适当调整火花塞触点间隙，以使火花塞产生较强的火花。

在柴油机外特性的试验过程中，以标准大气压力确定的高压油泵的供油特性不能适应不同大气压力下的外特性要求。

因此，应根据不同大气压力下对外特性的要求调整油泵的供油特性。

除对柴油机供油量进行调整以减少循环供油量外还因柴油喷入气缸后着火落后期延长，燃烧速率慢，需适当使喷油提前。

5．采用增压设备增压设备的作用是提高进气压力，增加进入气缸的充气量。