高原特殊环境对内燃机工作的影响
1对动力性和经济性的影响
a.过量空气系数下降,后燃严重,动力性能和经济性能变差,热负荷和烟度增加。b.空气密度低,冷却系统散热能力下降,冷却水沸点降低,热负荷增加。c.压缩终点压力与温度下降,机油粘度增加,低温启动困难。d.大气含尘量大,空滤器滤清效果变差,加快缸套磨损。e.增压器与发动机的匹配性能发生变化,压气机效率下降。
随着海拔升高大气压下降,空气密度减小,空气中的含氧量随之减少,对以内燃机为动力的机械影响十分突出。对自然吸气的内燃机,由于过量空气系数减少,燃烧恶化,功率、扭矩相应下降,排温、比油耗、烟 度值增高,机械作业效率下降、油耗高。试验表明,海拔每升高1000米, 内燃机的功率、扭矩下降8%~13%,油耗上升6%~9%,热强度增加2%~5%,从 而使内燃机的动力性、经济性大幅下降。在建设黄河上游龙羊峡水电站时,工程机械、运输机械的功率损失达31%,ZL40装载机只能在海拔2800米的工地勉强工 作,而在海拔3000米的工地作业时,铲斗举升能力下降一半,作业效率大大降低,无法正常使用;格尔木地区驻军某管线团使用的6135-64kW柴油发电机组,由于“高原反应”,供电不足;武警103部队装备的D80-12日本产推土机在海拔较低 的新疆地区使用性能满意,而用于唐古拉山修路时,空车运行都感吃力;铁路CX-80机车在西宁地区能牵引3节50吨的货车,到锡铁山只能勉强牵引2节50 吨的 货车。因此,高原环境对内燃机动力性能的影响十分严重。
由于高原特殊环境的影响,使得机械及其电器、仪表、材料性能下降,直接影响到整机的使用效率、可靠性、耐久性和经济性,甚至许多普通机械装备根本无法进行正常工作。
汽车的「高原反应」&增压技术的优点
自吸发动机在高原地区会明显的表现出动力减弱。
自吸发动机在高原地区动力肯定会降低。随着海拔高度的升高,空气中氧气含量在降低,气压也在降低。比如,川藏公路(国道318)米拉山口,海拔高度5013米,空气中氧气含量仅为海平面的约55%,绝大多数初到此地的人感觉喘不过气来,心跳加速,浑身发软,甚至有人头疼欲裂,这就是所谓高原反应。此时汽车自吸发动机所发出的功率只有标定功率数值的一半左右。因为发动机吸入的空气量及其中的氧气量都仅有海平面的一半。此时,增压发动机的表现就好多了,虽然气压降低,氧气含量降低,但经过增压后,发动机仍然能发出标定功率约80%左右的功率。但增压发动机的另一个问题是,在高原地区,发动机一旦熄火后,发动机的起动比较困难,平原地区一次能打着的,在高原可能要二三次才能打着。
硬核知识:汽车的「高原反应」&增压技术的优点
内容概述:空气“稀薄”概念解析,燃油动力汽车对空气密度的需求。
高原反应又称高原病或高山病,是一种因缺氧造成的异常生理反应现象,同时燃油汽车也存在相同的问题。原因往往被归结为“空气稀薄”,那么稀薄到底是个什么概念呢?找出这个问题的答案,也就找出解释哪种类型的内燃机更适合高原的答案了。
01
稀薄概念
「空气」是一种看不见摸不着,但事实存在而且有体积,也有质量的物质。主要组成部分为包括四类,具体如下。
氮气78%
氧气21%
二氧化碳0.03%
剩余为氦氖氩氪氙氡等稀有气体
重点:这是“0米”海拔的标准数值,也是汽车与人都会感觉到舒适的标准。空气就是由这些分子组成,而且各类分子之间是有间隙的;涡轮增压器实际就是在压缩分子之间的间隙,或者理解为把更多空气中的分子“压入”间隙中,让相同体积的空气变得更密实(重·分子多)。
「稀薄」的概念指海拔越高氧浓度越低,然而并不是因为分子消失,而是分子之间的间隙扩大了。
分子的中心原子上的价层电子是互斥的,所以分子也是会互斥的,但是为什么海拔越低间隙就会越小呢?原因在于地心引力对物质的束缚能力是有不同程度的,离标准海平面越接近的物质与气体,受到引力影响的程度就会越大,反之就会越小。
说白了就是低海拔区域空气受引力的拉力更大,空气中的分子间隙就会被拉小一些,那么在固定体积中的分子数量就会更多。反之在高海拔位置的“拉力减弱”,抵消分子互斥的作用力的能力也会减弱;结果则是分子互斥导致固定体积内的分子数量减少,以1m为标准并假设其为容器,互斥挤走了部分氧分子则会显得“稀薄”。
问题:人的肺活量和发动机的排气量都是相对固定的,比如一次吸入500毫升空气,在零海拔位置吸入的氧分子会很多(20.95%标准),但是在5000米的海拔则只能吸入很少的氧气,比例大约为标准海拔的11.5%。
吸入的氧气大幅减少就会缺氧,而氧气是生命活力的保证,缺氧就会感觉乏力甚至呼吸困难;最高海拔实际经历过接近4500米,有氧运动(过量消耗氧气)是无法正常做的。那么汽车为什么也会受到缺氧的影响呢?
02
基础知识
燃烧的本质是可燃物的氧化反应,比如燃油汽车就是碳氢化合物的还原反应;至于在反应过程中产生的光能和热能,这些只是反应的现象,或者理解为反应的状态与结果。但是巧合的是热能可以直接转化为驱动力,只要通过结构复杂的内燃机或外燃机即可。
重点:燃烧的基础是「氧化」,也就是说氧气是这种化学反应的催化基础;如果反向理解的话,燃油其实是“死物”,氧气才是用于“燃烧”并产生热能的基础。等量的燃油面对不等量的氧气,状态一定是氧气越多反应强度越强。
「富氧燃烧」是工业领域最常见的模式,指为可燃物(燃油或气体)供给高浓度氧气,也就是超过常压与标准海拔20.94%供养*(压缩氧气)。结果则会等量物体燃烧产生的温度大幅提升,温度其实就是热能的具象化或量化参考。
本质可理解为分子运动摩擦产生的热能,摩擦与碰撞的强度越高则温度越高,其实也就是转化出的扭矩更大。
03
增压系统优势
废气涡轮增压器的本质是「空气压缩器」,运行原理是依靠内燃机的高压排气,驱动增压器的涡轮并带动叶轮高速运转。吸入进气管路内部的空气,面对每分钟数万甚至数十万转的叶轮,体积(分子间隙)则必然被压缩变小,固定容积内部的空气就会变多,其中当然是包括氧分子的。
然而自然吸气发动机却不会压缩空气,因为依靠负压从车头吸入的空气,是与环境压力相同的的密度标准。以5000米海拔为参考,自吸发动机吸入的就是11.5%氧占比的空气,但是涡轮增压机则会超过这一浓度标准,动力是谁会更强呢?
说明:涡轮增压技术的初衷不是为了提升性能,而是为「节油减排」而研发。也就以排量的标准空气燃料比喷油,以氧浓度“20.94%+”的概念增强燃油反应的强度,热能转化的扭矩提升多少就是多少,不论多少都会比同排量自吸发动机更强,标准差异大致如下。
2.0L-峰值扭矩200N·m左右
2.0T-峰值扭矩350/400N·m区间
提升的程度是不是已经很大了呢?所以涡轮增压动力汽车更适合高海拔的汽车用户,即使同样要面对动力下降的问题,然而T机型下降的部分基础动能以外添加的部分,说白了就是动力增强的部分减少一些;而自然吸气发动机却是在基础之上做减法,动力体验差是显而易见的。