内燃机地理环境适应性和运用方式

伍赛特

0 引言

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，也取决于使其用得当与否。其中一个指标点就是内燃机对不同地理环境的适应能力的指标，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。

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，因此气压较低、空气稀薄，会使内燃机动力性能与经济性能下降。

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，空气密度约减小9%，大气压力约下降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差减小，内燃机压缩终了时的压力合温度均降低，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。

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，使空燃比减小，并增加油耗。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。

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 内燃机在高原地区的应用

根据内燃机在高原山区的具体应用特点，可采取下述措施以改善其性能。这些措施可单独使用，也可组合使用。

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 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。

提供压缩比的措施有：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。

2.3 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。此方法简单，可使柴油机运行在任何海拔高度地区。

2.4 调整电控参数

随着海拔高度增大，内燃机压缩终了的温度降低，导致火焰传播速度减缓。因此汽油机而言可将点火提前角提前约2°～3°曲轴转角，或火花塞参数进行调整，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。此方法简单，可使柴油机运行在任何海拔高度地区。

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。由于掺入的燃料中分子中均含有氧，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运行正常没有不良影响。

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，以提高压缩终了行程的温度与压力，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。

2.7 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开始运转。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密度，以保证蓄电池的良好功能。

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，降低曲轴箱压力，从而减少燃油稀释；同时采用机油散热器进行散热。

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进行正常工作；对于坦克用柴油机而言，还应具备潜渡涉水等能力。在水下运作时，内燃机需要采用防水密封结构，并需要适当考虑遥控措施。

参考文献

[1] 伍赛特.内燃机适应性及运用方式[J].柴油机设计与制造,2019,25(01):55-56.

[2] 伍赛特.内燃机适应性及运用方式(续)[J].柴油机设计与制造,2019,25(02):55-56.

[3] 伍赛特.内燃机适应性及运用方式(续)[J].柴油机设计与制造,2019,25(03):56.

[4] 林在犁，黄琪. 内燃机运用[M]. 成都：西南交通大学出版社, 2015.08.