内燃机气候环境适应性和运用方式

伍赛特

0 引言

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冷却能力以及机油散热能力，且不会产生过热现象；在高寒地区则能迅速起动。

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。

1.1 对内燃机进气充量的影响

当进气温度升高后，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。

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、气缸壁的温度上升，会在接近爆震极限的条件下运转，易于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与热负荷上升，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。

1.3 对润滑油的影响

内燃机过热现象会导致燃烧室、活塞以及活塞环及油底壳地区的温度过高，加剧润滑油的热分解、氧化过程，引起润滑油变质。在不正常燃烧的产物窜入曲轴箱之后，会使润滑油受污染、温度上升。内燃机整机温度越高，润滑油变质速度越快。

在我国西部干旱地区，由于夏季炎热，空气中灰尘较多，而在南方湿热地区，夏季空气中水蒸气浓度较高。灰尘与水蒸气通过进气系统或曲轴箱通风口进入内燃机后，使润滑油受到污染从而发生变质。

1.4 加剧磨损

在高温条件下运行时，内燃机虽然因润滑油黏度降低，在起动后加速至怠速的过程中整机磨损会减少；但内燃机在长时间运行过程中，尤其是高负荷工况下，会因润滑油黏度降低，污染后品质下降，同时因不正常燃烧现象导致的高温、高压现象，而容易产生磨损加剧的现象。

1.5 对内燃机燃油系统的影响

在高温条件下运行时，汽油机燃油系统吸收热量后，部分汽油会蒸发形成气体并在管道中产生气泡，阻碍汽油流动；同时由于气体自身可压缩性，随着燃油泵供油系统产生的脉动压力，使气体产生压缩及膨胀现象，因而破坏了燃油泵吸油过程中的真空度的建立，导致汽油机产生供油不足现象。该现象被称作供油系统气阻。

2内燃机在高温地区的运用方式

根据内燃机在高温条件下的使用特点，可采取下述措施以提高内燃机的使用性能。

2.1 加强整机维护保养

在夏季进行的日常维护保养中，尤其要注意冷却系统的检查。为适应其正常运行的需要，在内燃机进入夏季阶段前，应对内燃机进行全面检查及调整，尤其是对冷却系统、燃油系统、点火系统等进行全面检查及调整，并对润滑油进行及时更换。

为确保内燃机冷却系统具备良好的散热能力。在维护过程中应注意检查并调整冷却风扇，定期检查调温器的工作状态，按清洗要求清洗冷却系统，去除水垢，以提高冷却系统的散热效果。

为保证内燃机在高温条件下能进行有效润滑，在维护过程中，需注意检查润滑油是否充足，并适当缩短换油周期。发动机应选用优质润滑油作为夏季用油。长期在炎热地带运作的内燃机，需加装机油散热器。对于长期在灰尘含量较高地区工作的内燃机，需注重对空气滤清器的维护保养。

由于在高温条件下空气密度较低，应调整内燃机的燃油系统，减小供油量，从而防止混合气浓度过高。在高温条件下的混合气燃烧速率较高，对汽油机而言，应减小点火提前角。

在高温地区的蓄电池电解液蒸发速度较快，应注意检查电解液平面的高度，并适时补充。

2.2 预防爆震现象

在高温条件下运作时，汽油机容易产生爆震。爆震燃烧会使汽油机的热负荷及机械负荷过高，使汽油机磨损加剧或导致零部件损坏。因此需适当推迟点火或降低混合气浓度，可根据对汽油机的需求选择辛烷值合适的汽油，同时需注意保持汽油机的正常工作温度，并及时清除汽油机燃烧室积碳。也可以根据需求，加装爆震限制器，改善进气方式，降低进气温度，以防止爆震现象的产生。

2.3 预防气阻现象

为防止气阻现象（可采用能改善内燃机的散热与通风的措施，并将燃油系统的受热部分与热源进行隔离，或者采用结构及性能出色的燃油泵。

3 内燃机高寒适应性

在冬季严寒季节中，国内大部分地区的最低气温会降至0 ℃以下，北方地区的最低温度一般为-25～-15 ℃；而东北、西北等地的严寒地区气温可降至-40～-35℃。内燃机在低温条件下的使用问题主要有：起动困难、磨损严重、油耗上升、零部件性能恶化并易于损坏等。

3.1 对内燃机起动性能的影响

不同需求的内燃机起动性能会有所差异，起动性能主要与内燃机类型、燃烧室结构形式等因素有关。当气温在-15～-10 ℃时，内燃机的冷起动就会有一定困难；而在环境温度降至-30 ℃以下时，无辅助起动装置的内燃机，不经预热则难以起动。内燃机起动包括2部分：（1）电动机带动内燃机曲轴转动，并达到一定转速；（2）内燃机点燃或着燃。低温下电动机带动曲轴转动困难的主要原因有：曲轴旋转阻力矩较大、蓄电池工作能力恶化。低温下内燃机点燃或着燃困难的主要原因有：燃料自身蒸发性较差、燃油黏度增大，压缩终了时的缸内压力和温度低。

内燃机可正常起动的基本前提是曲轴需升至一定的转速。曲轴旋转阻力矩的增大会使内燃机起动转速下降。对于汽油机而言，进气管的温度下降会影响汽油整机的雾化效果；对柴油机而言，进气管的温度下降会导致压缩终了的压力和温度会下降。

曲轴在起动时的旋转阻力矩主要由以下力矩组成：缸内压缩气体的反作用力矩、运动零件的惯性力矩、摩擦副之间的摩擦阻力矩。气温变化时，前两者的变化不大，但摩擦阻力矩却由于低温时润滑油的黏度迅速增大而随之增加。曲轴旋转阻力矩的增大会使内燃机的起动转速降低，从而造成起动的困难。

同时，温度的降低也会导致燃油的黏度与密度增大，流动性变差从而难以雾化；不仅如此，低温条件下燃油难以蒸发，大部分燃油以液相状态进入气缸，导致混合气过稀从而难以起动。

3.2 对内燃机冷却系统与蓄电池性能的影响

水冷式内燃机的水套与散热器在低温条件下会存在冻裂的危险，因此对冷却系采取防冻措施十分重要。

随着温度降低，蓄电池的电解液黏度上升，内阻随之增加，起动时的起动电流也随之增大。因内阻增大同时引起压降增大，从而使蓄电池端电压显著降低。会在以下2个方面影响内燃机的低温起动过程。首先其低温起动时需要更大的起动功率，然后蓄电池的输出功率不升反降，容易使起动电动机难以拖动曲轴旋转或难以到达最低稳定转速。不仅如此，蓄电池端电压的降低还会使汽油机的火花塞点火能量降低，使发动机起动困难。此外，低温条件下会使蓄电池电解液产生冰冻从而难以正常工作。

3.3 加剧磨损

在内燃机的使用过程中，约有50%的缸内磨损会发生在起动过程中，而冬季起动过程会占总起动过程磨损的60%～70%。低温下发动机起动导致磨损严重的主要原因如下：

（1）润滑条件恶劣。在低温条件下，润滑油的黏度增大，流动性变差，难以及时到达气缸壁、活塞环等摩擦副；未充分蒸发的液相燃油进入缸内，对气缸壁上附着的润滑油膜进行冲刷，并沿着气缸壁进入曲轴箱，稀释润滑油并使其润滑效用恶化。燃料不完全燃烧形成的排放物会随着废气一同进入曲轴箱，使润滑油进一步变质。

（2）燃烧过程中产生的水蒸气会凝结并附着于气缸壁，与汽油在燃烧过程中产生的氧化硫产生酸类物质，腐蚀气缸壁并引起腐蚀及磨损。

（3）曲轴主轴承与曲轴主轴颈及连杆轴承与曲轴连杆轴颈的膨胀系数通常存在差异，使其配合间隙减小，破坏油膜建立，加剧了磨损。

3.4 对内燃机经济性的影响

内燃机在低温条件下使用时，会使油耗增加，原因如下：

（1）内燃机待机时间更长；

（2）工作温度降低，燃料气化现象变差，导致燃烧不完全；

（3）润滑油黏度上升，使摩擦损失变大，发动机功率下降。

3.5 导致零件损坏

在低温条件下，材料的力学性能会变差，尤其在-30℃下，钢材的冲击韧性急剧降低，使得铸件脆化，橡胶变硬，使由相关材料制成的零部件在外力作用下极易发生损坏。长期在低温下使用的发动机，采用耐低温的橡胶密封件、铸件。

4内燃机在高寒地区的运用方式

依据内燃机在高寒条件下的使用特性，可采取下述措施以提高内燃机的使用性能。

4.1 预热

内燃机在起动前进行预热的目的主要为提高燃油的雾化特性以及蒸发性能，并改善混合气的形成条件，降低内燃机的整机阻力，有利于内燃机的顺利起动。在无冷却起动辅助装置的情况下，一般常用的预热方式主要要有热水预热及蒸汽预热。

热水预热为应用最广泛的预热方式。在预热时将水加热至90～95 ℃后，然后注入冷却系统，加注满后打开放水阀，让热水边加注边流动，当流出的水温为30～40℃ 时，将放水阀关闭，再利用热水迅速提高缸内温度。

蒸汽预热也是一种有效的预热方式。将蒸汽通过蒸汽管先导入散热器，然后通入内燃机的冷却水套中。蒸汽进入冷却系统后会放热冷却，当缸体温度上升到一定数值后，从放水阀处放出蒸汽。该方式可有效预热润滑油，降低其黏度，使内燃机更易于起动。因蒸汽比较容易伤人，采用此方法需要注意安全。

4.2 改善混合气形成条件

在低温下起动时，燃油的雾化与蒸发效果较差，可采用预热进气系统的方式改善该现象。汽油机在低温起动时，可对进气道进行预热；而柴油机可空气滤清器后的进气管处加装电阻丝加热装置或火焰加热器，以加热进气。

4.3 采用起动液

如不采用预热仍要使内燃机在低温条件下顺利起动，可采用起动液。起动液的加注方式应参照内燃机进气系统的结构并尽可能将其均匀雾化并分配到各个气缸中。通常不是将冷却液直接掺混入燃料并直接进入气缸，而是将其雾化并喷入进气道，使其与进气道中的空气或可燃混合气进行混合后再进入气缸。

4.4 燃油与润滑油的合理使用

为有利于内燃机低温起动并降低磨损，低温下采用的燃油应具备良好的挥发性、流动性及低含硫量；同时需采用冬季润滑油，其具备优秀的黏温特性，即随着温度下降其黏度提升不明显，以使零部件得充分润滑，降低运动阻力矩。

4.5 有效保温

内燃机在低温环境使用时，应对整机及蓄电池采取保温措施。

一般情况下，在汽车发动机罩上加装保温套是一项有效措施。在-30 ℃的低温下，发动机罩内的温度可有效保持在20～30 ℃。发动机油底壳还可采用双层油底壳，并辅以玻璃纤维进行有效保温。

蓄电池在低温条件工作时，电解液温度每下降1 ℃时，蓄电池容量会减少1%～1.5%。过低的温度会导致电解液凝固并损坏蓄电池。将蓄电池装入保温箱进行保温也是一项有效的手段。

4.6 使用防冻液

内燃机在寒冷气候下使用防冻液可有效防止机体冻裂，常用的防冻液有乙醇-水型、甘油-水型以及乙二醇-水型3种。

防冻液的使用应注意以下几点：（1）防冻液的冰点需低于该地区的最低温度达5 ℃以上；（2）防冻液易于泄露，应注意其密封性；（3）防冻液膨胀系数较大，通常只加到最大容量的95%，避免其受热膨胀后导致溢出；（4）定期采用密度计进行成分检查，如有蒸发需及时进行补充。

现在有市场上有提供有防冻防腐蚀功能的发动机冷却液，各发动机制造商也提供专用冷却液。

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.