内燃机适应性及运用方式

0 引言

内燃机的使用寿命不仅与内燃机本身的结构设计、制造水平有关，也与合理使用有关。合理使用包括内燃机使用环境和使用方式。本文收集和整理了内燃机适应性及运用方式方面的信息，仅供读者参考。

1 内燃机

内燃机是最为常见的一种热力发动机，其应用领域宽泛，通常可包括：1）各类地面运输车辆（汽车、拖拉机、内燃机车）；2）各类工程机械；3）农业、林业机械；4）发电站；5）船舶主机及辅机；6）军事武备，如坦克、水面舰艇、潜艇等。

与其他热机相比，内燃机的优势为：1）热效率高，燃油消耗率低，尤其是柴油机，通常被认为是热效率最高的热机；2）功率范围宽广，单机功率可从零点几～数万 kW，适用于多个领域；3）结构紧凑、质量轻、便于移动；4）操作简易，起动迅速，在起动后能迅速以全负荷运行。

与其他热机相比，内燃机的劣势为：1）内燃机对燃料要求较高，中、高速内燃机通常使用汽油或轻柴油作为燃料，并且对燃料清洁度要求较高，通常不使用固相燃料或劣质燃料；2）噪声与排气污染问题，内燃机目前在各个领域中得以广泛应用，但对环境的污染也日益加重；3）整机结构复杂，零部件加工精度要求较高。

2 内燃机地理环境适应性和运用方式

内燃机使用寿命不仅取决于内燃机本身的设计和制造质量，也取决于其使用得当与否。其中一个指标就是内燃机对不同地理环境的适应能力，其指内燃机在高原山区等恶劣环境下工作的能力，以及适应倾斜道路工作的能力。

2.1 内燃机高原适应性

内燃机在高原地区运行时，由于海拔较高，气压较低、空气稀薄，因此会使内燃机动力性能与经济性能下降。

2.1.1 对内燃机动力性的影响

通常而言，海拔高度每增加1 000 m，空气密度减小约9%，大气压力下降约11.5%。由于空气密度较低，使内燃机充气量下降，并且过量空气系数减小；同时又因为气压降低，环境气压与内燃机缸内的压力差减小，内燃机压缩终了时的压力和温度均降低，使混合气的燃烧速度减缓。充气量下降和燃烧速率降低均会使内燃机动力性下降。通常海拔高度每上升1 000 m，发动机功率和扭矩分别下降12%和11%。

海拔高度的增加同时也会影响到内燃机的怠速性能。由于进气道内真空度降低，导致进气量不足，内燃机怠速也会随之下降。海拔高度每增加1 000 m，对应的怠速会下降50 r/min，同时怠速稳定性也会变差。

2.1.2 对内燃机经济性的影响

在高原山区运行的内燃机，进气充量会显著下降。如果供油系统不经调整或者校正，则会随着海拔高度的增加，空燃比减小，油耗增加。另外，随着大气压力的降低，燃料的挥发性会变大，并且易于产生泄露与气阻，增大油耗。2.1.3 对内燃机润滑油的影响

由于在高原运行的内燃机动力性变差，因此为保证功率输出，内燃机满负荷运作的时间比例会明显增大，容易导致内燃机过热现象。内燃机工作温度上升后，会导致润滑油黏度减小，氧化速度加快。同时，过浓的混合气无法充分燃烧，一旦窜入曲轴箱，会导致润滑油的稀释以及变质现象。润滑油品质的降低会导致内燃机润滑不良，加剧磨损。

2.2 内燃机在高原地区的应用

根据内燃机在高原地区的具体应用特点，可采取下述措施以改善其性能。

2.2.1 减低功率运行

对没有具备高原性能的内燃机，如临时需要在高原地区使用而不采取其他相应措施，则必须降低功率运行。按高原对内燃机动力性影响程度，相应降低内燃机功率和扭矩的输出要求。如通常海拔高度每上升1 000 m，发动机功率和扭矩需要分别下降12%和11%。如不降低功率运行，会导致发动机过载运行，容易损坏发动机。

2.2.2 提高压缩比

对需要长期在高原地区运行的现有内燃机，可以通过采用一系列改进措施，使发动机满足在高原地区使用的要求。其中之一就是提高发动机的压缩比。由于高原地区空气稀薄，内燃机实际进气充量减小，压缩行程终了时气缸内的温度和压力均会下降。因此，可适度提高内燃机压缩比，既可提高压缩终了时的缸内温度与压力，又可加快燃烧速率并增大膨胀比；同时采用稀薄混合气以提高内燃机的动力性与经济性。提高压缩比的措施有：采用高压缩比的气缸盖。高压缩比的气缸盖既可以是专门设计的具体产品，也可在原有的气缸盖上进行加工处理，以采用减小燃烧室容积的方式提升压缩比。此方法比较简单，可获得所需的压缩比。除此以外，还可采用较薄气缸垫提高压缩比。此方法只能有限地提高压缩比。

2.2.3 调整燃油系统

随着海拔高度增加，进气充量减少，如不调整供油系统，则会导致混合气变浓，燃料燃烧不完全，进而导致功率下降，油耗和排放增大。因此需要根据海拔高度的变化调整燃油系统的循环供油量。

2.2.4 调整电控参数

随着海拔高度增大，内燃机压缩终了缸内温度降低，导致火焰传播速度减缓。因此对汽油机而言可将点火提前角提前约2°～3°曲轴转角，或调整火花塞参数，以增强电火花强度。对柴油机而言，可减少燃油系统每循环供油量；随着海拔高度增大，柴油喷入气缸后的着火延迟期变长，如果燃烧速率较缓，需适当增大喷油提前角。

2.2.5 采用含氧燃料

含氧燃料通常指掺混有酒精、丙酮及其他含氧化合物的燃料。由于掺入的燃料分子中均含有氧，因此在燃烧过程中，减少了所需的空气量，并且可补偿因气压降低而产生的进气充量不足。采用含氧燃料，需要进行相关台架试验进行评估，以确保此措施对发动机正常运行没有不良影响。

2.2.6 采用进气增压装置

由于受到爆震等问题的限制，增压技术在汽油机领域的应用起步较晚，而柴油机则不受该制约。在2 000 m以上的高原工作时，为保证足够的功率储备，裕量较小的内燃机需要加装增压器，通过增加进气充量来提高压缩终了时缸内温度与压力，用以弥补内燃机的功率并改善其燃油经济性。同时，内燃机的增压器应有足够的工作裕量，不因产生压气机喘振或者由于排气温度过高导致涡轮损坏。

2.2.7 保证蓄电池的可靠性

内燃机无法自行起动，需要在外力作用下方可起动。电起动是最为常见的起动方式，因此蓄电池的可靠性就尤为重要。需定期检查蓄电池，并且补充蒸馏水及电解液，以保证蓄电池的良好功能。

2.2.8 改善润滑条件

在高原地区运行的内燃机，其所使用的润滑油需具备良好的黏温特性，以确保发动机在低温环境下具备良好的起动性能，在高温环境下具备良好的润滑性能。同时为了避免润滑油变质，需维持良好的曲轴箱通风，并采用机油散热器进行散热。

2.3 内燃机的其他地理环境适应性要求

通常而言，坦克、工程机械内燃机需要在前、后倾斜30°～40°以及侧倾20°～35°的条件下进行正常工作；而拖拉机、汽车等仅需在前、后倾斜20°～30°以及侧向倾斜20°的情况下进行正常工作；船用柴油机需要在较大的纵横摇摆度下正常工作；对于坦克用柴油机而言，还应具备潜渡涉水等能力。在水下运行时，内燃机需要采用防水密封结构，并需要适当考虑遥控措施。

3 内燃机气候环境适应性和运用方式

内燃机气候环境适应性指标是指内燃机对不同气候环境的适应能力，需要内燃机在高温地区具备足够的散热能力，且不会产生过热现象；在高寒地区则能迅速起动。

3.1 内燃机高温适应性

在高温条件下，内燃机冷却系统的散热能力明显下降，容易导致过热，并且会使内燃机的进气充量下降、润滑性能恶化、供油系统产生气阻并影响到燃烧过程，使内燃机的动力性、经济性及可靠性下降。

3.1.1 对内燃机进气充量的影响

当进气温度升高后，其与内燃机缸壁的温差减小。尽管可采用适当措施提升充量系数，但由于在高温条件下内燃机机体温度较高，空气密度还是会迅速下降并使内燃机充量系数减小，从而导致内燃机功率降低。

3.1.2 对内燃机燃烧过程的影响

在外界温度较高的前提下，进入内燃机的混合气温度也随之升高，内燃机整个工作循环的温度也随之上升。同时由于冷却系统的冷却能力下降，会导致内燃机过热，燃烧室壁温、气缸壁温上升，会在接近爆震极限的条件下运转，易产生不正常燃烧现象。不仅如此，不正常燃烧现象容易导致内燃机整机的机械负荷和热负荷上升，使零件发生热变形甚至产生裂纹；并且加剧磨损现象的产生。