董素荣，刘鹏宇，王　凯，石秉良，刘瑞林

(1.军事交通学院 军用车辆系，天津 300161； 2.军事交通学院 研究生管理大队，天津 300161； 3. 63969 部队，南京 230026)



● 车辆工程Vehicle Engineering

高原环境对轻型车辆动力性和经济性影响的试验研究

董素荣1，刘鹏宇2，王凯2，石秉良4，刘瑞林1

(1.军事交通学院 军用车辆系，天津 300161； 2.军事交通学院 研究生管理大队，天津 300161； 3. 63969 部队，南京 230026)

为提高轻型车辆的高原环境适应性，在不同海拔地区，对普通型和加装KSB低温启动调节装置的两款轻型车辆进行了实地试验，研究了高原环境条件和KSB低温启动调节装置对轻型车辆动力性和经济性的影响规律。研究结果表明：在高海拔地区，轻型车辆的动力性和经济性下降严重，加装了KSB装置后的车辆在高海拔地区的动力性和经济性得到改善。与低海拔相比，高海拔轻型车辆加装KSB装置前后的0～80 km/h起步加速性能分别下降45.6%和27.9%，60～80 km/h直接挡加速性能分别下降58.1%和19.6%，车辆牵引力分别下降29.4%～40.7%和15.3%～20.4%，百公里燃油消耗量分别增加13.7%和7.7%。

高海拔；轻型车辆；动力性；经济性；KSB装置

我国疆域辽阔，道路交通环境复杂多变，海拔超过1 000 m的高原面积约有358万km2，约占我国国土面积的37%[1]。随着我国西部大开发政策的深入推进，高原地区经济、社会和国防建设都取得了长足的进步，对以柴油机为动力的各种车辆、工程机械等装备的需求量日益增长。然而，随着海拔的升高，柴油机动力性能逐渐变差，燃油消耗和排放指标逐渐恶化，热负荷升高[2-5]，导致车辆整车的动力性和经济性相比平原产生了不同程度的改变。本文通过不同海拔地区的实地试验，研究了高原环境条件对轻型车辆动力性和经济性的影响规律，为提高车辆高原适应性技术研究提供依据。

1　试验对象及试验条件

1.1试验对象

试验对象为两款轻型车辆，分别记为1号车和2号车。2号车在1号车的基础上，增加了KSB低温起动调节装置。

KSB低温起动调节装置能够在发动机中冷后温度低于35 ℃的情况下，增大喷油提前角[6]。增大喷油提前角，可以使柴油机在此工况下油气充分混合，提高转矩，改善发动机的动力性[7-8]。图1为KSB低温起动调节装置原理结构图，输油泵提供的燃油通过喷油泵内腔输送到提前器活塞的一个端面。活塞因油泵的内腔压力克服弹簧力而移动并因此改变供油始点，油泵内腔压力是由压力控制阀决定的，随着油泵转速上升，压力控制阀增加了油泵内腔压力，而导致供油量增加。

压力控制阀柱塞中有一个节流孔以满足KSB所需的压力升高，并实现图2中虚线所示的提前曲线。

图2　KSB喷油提前作用曲线

1.2试验条件

本试验地点分别选择在低海拔(<50 m)、中海拔(<2 840 m)和高海拔(4 000～4 800 m)3个地区。试验道路条件为水泥公路与沥青公路，道路平直，纵向坡度在2%以下，大部分在0.3%～0.7%之间，符合通用车辆装备道路试验的基本条件。试验气候条件见表1。

表1　试验气候条件

1.3试验项目

(1)加速性能试验。 汽车加速性能试验依据GB/T 12543—2009 《汽车加速性能试验方法》进行。起步加速试验时，由1挡起步，在最合适的换挡时机换挡，直至车速加到80 km/h；直接挡加速性能试验，车速在58～60 km/h等速行驶至少2 s，当车速达到60 km/h时开始记录，直至加速行驶达70 km/h以上，变速器在试验过程中不应换挡。

(2)牵引特性试验。 汽车牵引特性试验依据GB/T 12537—90《汽车牵引性能试验方法》(现行)进行，选取变速器低挡进行，分动器置于HL挡；最大牵引力试验，分动器置于L挡，变速器置于最低挡。

(3)经济性试验。车辆等速燃油消耗量试验依据GB/T 12545.1—2008 《汽车燃料消耗量试验方法 第1部分 乘用车燃料消耗量试验方法》进行。试验时，试验样车的变速器位于最高挡或次高挡，试验车速以10的倍数均匀选取，于最低稳定车速和最高稳定车速的90%范围内，测定5个车速点的油耗。

2　试验结果与分析

2.1高原环境对轻型车辆动力性的影响

图3和图4分别为轻型车辆不同海拔起步加速时间和直接挡加速时间。随着海拔的升高，车辆的起步加速时间和直接挡加速时间增加，车辆加速性能下降。与低海拔相比，1号车辆中海拔和高海拔0～80 km/h起步加速性能分别下降5.2%和45.6%，中海拔和高海拔60～80 km/h直接挡加速性能分别下降25.3%和58.1%；2号车辆中海拔和高海拔0～80 km/h起步加速性能分别下降14.2%和27.9%，中海拔和高海拔60～80 km/h直接挡加速性能分别下降19%和19.6%(见表2)。

图3　不同海拔起步加速时间(0～80 km/h)

图4　不同海拔直接挡加速时间(60～80 km/h)

%

由图3和图4还可看出：在中、低海拔地区，车辆起步加速性能下降幅度较小，在高海拔地区，车辆起步加速性能下降显著；2号车加速性能下降幅度明显小于1号车。

由文献[9]可知：汽车加速度可由式(1)表示，与Ft-(Ff+Fw)直接相关。

(1)

式中：Ft为驱动力，N；Ff为滚动阻力，N；Fw为空气阻力，N；δ为汽车旋转质量换算系数；m为汽车质量,kg。

在滚动阻力Ff和空气阻力Fw不变的情况下，车辆加速度主要由驱动力Ft决定。

(2)

式中：Ft为作用于驱动轮的驱动力；N；Ttq为发动机转矩，N·m；ig为变速器的传动比；i0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，m。

由此可见，在变速器传动比、主减速器传动比、传动系机械效率、车轮半径不变的情况下，作用于车轮上的驱动力与发动机转矩成正比。

发动机高原环境模拟试验表明[10]，随着海拔的升高，柴油机的转矩和功率等动力性指标逐渐下降，而且处于低速区时要比高速区下降更明显。因此，在高海拔地区，车辆柴油机的转矩和功率下降，导致车辆的驱动力下降，而驱动力的不足导致汽车加速度减小，造成整车的加速性能下降。2号车加速性能下降幅度小于1号车，是由于2号车加装了KSB低温起动补偿装置，高海拔试验以及部分中海拔试验时，试验环境温度较低，中冷器后温降低，容易满足KSB的工作条件，KSB缩短了2号车的加速时间。随着海拔的升高，柴油机的转矩和功率下降，车辆驱动力下降，直接影响车辆牵引特性(如图5、图6所示)。

图5　1号车辆牵引特性曲线

图6　2号车辆牵引特性曲线

不同海拔地区牵引特性试验表明，随着海拔的升高，轻型车辆的牵引力下降。受高海拔条件的影响，车辆柴油机的功率和转矩下降，进而导致装备的牵引力下降。与低海拔相比，1号车辆中海拔和高海拔牵引力分别下降了8.9%～13.4%和29.4%～40.7%；2号车辆中海拔和高海拔牵引力分别下降了3.4%～10.7%和15.3%～20.4%(见表3)。

表3　牵引力下降率　%

由图5和图6还可以看出：在中、低海拔地区，车辆牵引力下降幅度较小，在高海拔地区，车辆起步牵引力下降显著；2号车加速性能下降幅度明显小于1号车。1、2号车牵引力在中海拔下降比例相当，而在高海拔条件下，2号车牵引力下降率明显小于1号车。这是由于随着海拔的升高，车辆柴油机进气压力低、含氧量少、燃烧不充分，导致柴油机和功率下降，而转矩的下降，导致车辆的牵引力下降，2号车加装了KSB系统，增大了喷油提前角，提高了转矩，使得2号车的牵引力下降率小于1号车的下降率。

2.2轻型车辆不同海拔经济性分析

为研究高原环境对燃油经济性的影响，在不同海拔条件下，对两辆车进行了等速行驶燃油消耗量试验，试验结果如图7、图8所示。燃油消耗量增加率见表4。

图7　1号车燃油消耗量对比

图8　2号车燃油消耗量对比

表4　燃油消耗量增加率　%

由图7、图8可知，随着海拔的升高，作等速行驶的车辆燃油消耗量随之增加。相比低海拔，1号车在中海拔和高海拔下，等速百公里燃油消耗量平均增加6.9%和13.7%；2号车在中海拔和高海拔下，等速百公里燃油消耗量平均增加4.2%和7.7%；2号车辆的燃油消耗量下降率明显小于1号车。

等速百公里燃油消耗量Qs是反映汽车柴油机经济性最重要的参数，依据汽车理论，其值 (L/100 km)可由式(3)计算得到。

(3)

式中：b为燃油消耗率，g/(kW·h)；ua为汽车速度，km/h；ρ为燃油密度，kg/L；g为重力加速度，m/s2。

由式(3)可见，在汽车速度、燃油密度和重力加速度不变的情况下，等速百公里燃油消耗量同燃油消耗率成正比。

由于高原大气压力下降[11]，进气质量减少，导致过量空气系数减小，柴油机工作时滞燃期增大，燃料不能在上止点附近燃烧，从而造成柴油机功率和经济性能下降，而且还会使发动机过热，冒黑烟，造成燃油消耗率下降，从而使整车的等速百公里油耗量增加。合理地增大供油提前角，促使速燃期、缓燃期和后燃期提前达到最佳状态，有利于提升车辆的燃油经济性，2号车加装了KSB装置以后，正是改变了柴油机的喷油提前角，从而减少了柴油机的燃油消耗量。

3　结　论

(1)随着海拔的升高，轻型车辆动力性和经济性明显下降，加装KSB装置后，动力性和经济性得到改善。

(2)与低海拔相比，轻型车辆高海拔起步加速性能和直接挡加速性能分别下降45.6%和58.1%，牵引力下降29.4%～40.7%，百公里燃油消耗量增加13.7%。

(3)与低海拔相比，加装KSB装置后，轻型车辆高海拔起步加速性能和直接挡加速性能分别下降27.9%和19.6%，牵引力下降15.3%～20.4%，百公里燃油消耗量增加7.7%。

[1]刘瑞林．柴油机高原环境适应性研究[M]．北京：北京理工大学出版社，2013：97-126．

[2]周广猛，刘瑞林，董素荣，等．柴油机高原环境适应性研究综述[J]．车用发动机，2013(4)：1-5．

[3]董素荣，刘瑞林，许翔．军车柴油机高原性能提升技术[J]．军事交通学院学报，2012,14(12)：77-79.

[4]董素荣，刘瑞林，周广猛，等．共轨柴油机高海拔碳烟形成历程的数值模拟[J]．燃烧科学与技术，2013.19(5)：388-394．

[5]WANG X, GE Y SH, YU L X．Combustion and emission characteristics of a heavy-duty diesel engine at idle at various altitudes[J]．SAE internatior Journal of Engines,2013,6(2):1145-1151.

[6]Dr.-Ing，Helmut Tschöke．Diesel distributor fuel-injection pumps technical instruction[Z]．Robert Bosch GmbH，1999：41-43．

[7]刘瑞林，周广猛，李骏，等．高压共轨柴油机高海拔全负荷标定[J]．燃烧科学与技术，2012，18(3)：199-205．

[8]路峰，郭猛超．特殊环境增压柴油机燃烧特性计算[J]．机床与液压，2011，39(23)：66-70．

[9]余志生．汽车理论[M]．北京：机械工业出版社，2009：1-52．

[10]刘瑞林，周磊，刘楠，等．轻型涡轮增压柴油机高海拔性能试验[J]．军事交通学院学报，2015，17(6)：32-35．

[11]周广猛，刘瑞林，许翔，等．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(3)：45-51．

(编辑：史海英)

Experimental Study on Power and Economy Performance of Light Vehicle in Plateau Environment

DONG Surong1, LIU Pengyu2, WANG Kai2, SHI Bingliang3, LIU Ruilin1

(1.Military Vehicle Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China； 2.Postgraduate Training Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China； 3.63969 Unit, Nanjing 230026， China)

In order to improve the adaptability of light vehicle in plateau environment, two different types of light vehicles, one being ordinary and one assembled with KSB, are tested in different altitude for the effects of plateau environment and KSB on their power and economy performance. The test results show that the power and economy performance of the light vehicle decreased significantly in high altitude areas, but improved when assembled with a KSB. When compared with the low altitude areas, in high altitude areas, the starting accelerate performance (0～80 km/h) of light vehicles with and without KSB decreased respectively by 45.6% and 27.9%, direct drive accelerate performance(60～80 km/h) by 58.1% and 19.6%, traction by 29.4%～40.7% and 15.3%～20.4% and fuel consumption per kilometer increased by 13.7% and 7.7%.

high altitude; light vehicle; power performance; economy performance; KSB device

2015-12-09；

2016-01-25．

董素荣(1967—)，女，博士，副教授，硕士研究生导师．

10．16807/j.cnki.12-1372/e.2016.05.010

U467．1

A

1674-2192(2016)05- 0040- 05