7.3 汽车在高原和山区条件下的使用
汽车在高原行驶时，由于海拔高、空气稀薄、气压低，发动机充气量少，使汽车动力性和燃料经济性下降。汽车低挡爬坡时，发动机易过热;停车时，发动机又很快冷却;因此，发动机应采取良好的冷却和保温措施。汽车在山区行驶时，换挡、制动和转弯次数多，底盘机构的载荷大，轮胎磨损大，应适当缩短维护周期。
7.3.1海拔高度对发动机动力性的影响
由内燃机原理可知，发动机的平均指示压力pi与充气系数ηv成正比，即
式中，Hmo为理论混合气的热值，kJ/m3;α为过量空气系数;ηi为指示效率;ηv为充气系数。
当大气压力下降时，若进气温度和进气系统的阻力不变，进气终了时刻的气缸内压力与进气压力的比值基本不变，则充气系数变化不大。但是，随着海拔增高，气压逐渐降低，空气密度减小(见表7－3)，使发动机的进气量减小，平均指示压力下降。
对于四冲程发动机而言，发动机功率Ni与平均指示压力pi成正比，即
式中，Ni为发动机指示功率，kW;vh为发动机总工作容积，L;pi为平均指示压力，kPa;n为曲轴转速，r/min。
对于一定型号的发动机在转速不变的情况下，平均指示压力直接影响着发动机功率，即发动机功率随着海拔升而下降。
图7－10 发动机功率、转矩与海拔高度的关系
图7－10所示为某型商用汽车发动机功率、转矩与海拔高度的关系。海拔4000m比零海拔时的发动机功率降低40%～50%。海拔高度每上升1000m，发动机功率和转矩分别下降12%和11%左右。
在高原使用条件下，按海拔高度适当调整空燃比与点火提前角可使动力性能有所改善，如图7－11中虚线表示。
图7－11 不同海拔高度的发动机外特性
随着海拔高度的增加，大气压力降低，进气管真空度下降，在原油门开度下则进气量不足，使发动机的转速下降。同时，由于混合气过浓，发动机怠速稳定性差。从图7－12可以看出，海拔每增高1000m，怠速转速降低50r/min。
图7－12 海拔高度与发动机怠速转速的关系
表7－3 海拔高度、大气压力、温度及密度的关系
7.3.2 海拔高度对燃油经济性的影响
在高原行驶的汽车，由于空气密度下降，充气量将明显降低。随着海拔高度的增加，空燃比变小，混合气变浓，如不能进行修正，会使发动机油耗增大。电子控制燃油喷射发动机的控制单元可对空气状况(大气压力)进行修正。
由于大气压力降低，燃料蒸发性提高，就燃料蒸气压力、蒸馏特性而言，当大气压力从101kPa降至80kPa(海拔高度约2000m)，相当于外界气温下升8℃～10℃所造成的影响。因此，高原行车易产生气阻和渗漏等问题，致使油耗增大。同时，因发动机功率不足，汽车需经常以低挡行驶，也是引起油耗增大的原因之一。
综合上述，即使同一台发动机由于大气压不同，其动力性和燃油经济性差别也很大。为了使功率、耗油率的标定不致混乱，需进行大气修正。
7.3.3 海拔高度对排放的影响
海拔高度对排气污染物的生成也有影响。由于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7－13示出海拔高度与发动机排气中的CO、HC和NOX的关系，由图可以看出，CO、HC排放浓度随海拔升高而增大，而NOX的浓度则有所下降。
图7－13 海拔高度与发动机排气中CO、HC和NOX的关系
7.3.4 在高原地区改善发动机性能的主要措施
在高原地区行驶的汽车，发动机功率下降导致汽车的动力性下降，特别是对功率储备小或汽车列车的影响更大。提高汽车在高原地区的动力性与燃油经济性的措施如下。
1.提高发动机的压缩比
提高压缩比，不仅可以提高压缩终了气缸内的温度与压力，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，提高了发动机的动力性和燃油经济性。
发动机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，爆震倾向越小，压缩比就可以相应地选大一些。图7－14给出了燃料辛烷值与压缩比的关系。
图7－14 燃料辛烷值与压缩比的关系
随着海拔高度的增加，发动机的充气量下降，压缩终了的气缸压力及温度相应降低，因此爆震倾向减小，从而为提高压缩比创造了有利条件。
除上述使用因素外，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，在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。
2.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油经济性。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影响最大。
进气迟关角是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。进气迟关角减小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，进气迟关角增大，对经常处于高速运转的发动机有利。
排气提前角主要影响做功行程中膨胀功损失pw和排气行程中的排气功损失px。排气提前角增大，pw增加，px减小;排气提前角减小则pw减小，而px增加。最佳的排气提前角可使(pw+px)值最小。试验表明，随着发动机转速的提高，排气提前角增大。
为了使凸轮轴的设计(凸轮线型和各凸轮间的夹角等)更为合理，应与发动机常用转速工况相适应，以提高充气量，改善汽车在高原地区的使用性能。
3.采用增压设备
柴油机由于无爆震的限制，使用增压器比较合适。柴油机装增压器后(一般是废气涡轮增压)，增加了充气量，压缩终点的压力和温度也相应提高，从而改善了发动机的动力性和燃油经济性。由于发动机的工况复杂以及发动机罩下空间的限制，要求增压器结构紧凑，涡轮等旋转零件的转动惯量小，反应敏感。此外，还应对柴油机的供油量及喷油提前角进行适当地调整。
汽油机采用废气涡轮增压的困难较大，其中主要是爆震和涡轮热负荷过高的问题。因此，废气涡轮增压在汽油机上的应用受到一定限制，但是对于在高原地区使用的汽车，为恢复原有的发动机功率仍是行之有效的办法。
随着海拔升高，混合气变浓，燃烧不完全。为此，应按海拔高度减小流量，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油经济性。
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，而空气稀薄又使分电器的真空提前装置受到影响。为此，可将点火提前角略为提前10～20，还可以适当调整火花塞和断电器触点间隙，以使火花塞产生较强的火花。还可适当增大火花塞间隙。
4.采用含氧燃料
所谓含氧燃料就是在汽油中掺入酒精、丙酮及其他含氧化合物。掺入的这些含氧燃料的分子中都含有氧，在燃烧过程中，理论上必要的空气量减少，从而补偿了因气压低而产生的充气量不足的问题。试验表明:采用含氧较高的燃料其相对效能随海拔高度的增加而提高。
5.高原及山区条件下汽车制动系的使用特点及其改进措施
由于山区地形复杂，经常会遇到上坡、下坡、路窄、弯多等问题，所以影响山区行驶安全的主要问题是汽车制动性能。在山区行驶，汽车需要经常制动减速，因此制动系的使用特点是制动频繁，致使摩擦衬片和制动鼓(盘)经常处于发热状态。下长坡时，制动蹄摩擦衬片温度可达400℃左右。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，由于摩擦衬片连续高温，磨损加剧并常有碎裂现象。
在山区行驶的汽车制动安全性主要存在两个方面的问题，即前轮失去转向能力和后轴侧滑。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;第二种情况须防止后轮抱死或提前抱死(后轮比前轮提前抱死超过一定时间间隔)。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。
气压制动在山区使用时，特别是高原山区，因空气稀薄，空气压缩机的生产率下降，供气压力不足，再加上制动次数多，耗气量大，往往不能保证汽车、特别是汽车列车的可靠制动。
在高原山区行驶的汽车，使用制动频繁，制动器因摩擦而生热，制动系统温度升高。如使用沸点低的制动液，还会在高温时由于制动液的蒸发而产生气阻，引起制动失灵。
从总体上来说，采用ABS制动系统可以提高车辆制动的操纵稳定性，提高汽车在山区的行使安全性。此外，汽车在山区使用条件下，解决制动问题的途径如下:
(1)采用辅助制动器。辅助制动器主要有电涡流、液体涡流和发动机排气制动器。前两种辅助制动器由于体积较大，结构复杂，多用于山区或矿用的重型汽车上，又称电力或液力下坡缓行器。发动机排气制动是一种有效而简便的措施。它是在一般发动机制动的基础上，再在发动机排气管上装一个排气节流阀，当使用排气制时，切断发动机的燃料供给，关闭排气节流阀，达到降低车速制动汽车的目的。排气制动也属于缓行制动装置，多用在重型汽车上。排气制动可保证各车轮制动均匀，制动功率可达发动机有效功率的80%～90%。
(2)采用大范围可调制动比例阀。现有的比例阀主要用于防止后轴制动抱死，不能解决前轮制动抱死问题，而一些进口矿用车的前轮制动减压阀，又只能用于防止前轮抱死，而且以上两类阀一般都是固定比例的，不适用于制动工况变化很大的山区情况。因此有必要采用一种从前轮制动减压到后轮制动减压的大范围可调比例阀。
(3)制动鼓淋水。为了防止制动器过热，在下长坡时，对制动鼓外圆进行淋水冷却效果很好，可以基本上防止摩擦衬片的烧蚀现象。但是，这种方法需要有充足的水源，在缺水地区无法使用。此外，经常需要停车加水，增加了驾驶员的劳动强度和降低了运输生产率。
(4)选用合成型汽车制动液。评价制动液高温抗气阻性能的指标是平衡回流沸点。平衡回流沸点是指制动液在测定条件下开始沸腾的温度，平衡回流沸点越高，越不易产生气阻。
此外，为了满足气压制动的供气压力要求，可采用供气量大的双缸空气压缩机。
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