內(nèi)燃機適應(yīng)性及運用方式

0 引言

內(nèi)燃機的使用壽命不僅與內(nèi)燃機本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造水平有關(guān)，也與合理使用有關(guān)。合理使用包括內(nèi)燃機使用環(huán)境和使用方式。本文收集和整理了內(nèi)燃機適應(yīng)性及運用方式方面的信息，僅供讀者參考。

1 內(nèi)燃機

內(nèi)燃機是最為常見的一種熱力發(fā)動機，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)挿?，通常可包括?）各類地面運輸車輛（汽車、拖拉機、內(nèi)燃機車）；2）各類工程機械；3）農(nóng)業(yè)、林業(yè)機械；4）發(fā)電站；5）船舶主機及輔機；6）軍事武備，如坦克、水面艦艇、潛艇等。

與其他熱機相比，內(nèi)燃機的優(yōu)勢為：1）熱效率高，燃油消耗率低，尤其是柴油機，通常被認(rèn)為是熱效率最高的熱機；2）功率范圍寬廣，單機功率可從零點幾～數(shù)萬 kW，適用于多個領(lǐng)域；3）結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、便于移動；4）操作簡易，起動迅速，在起動后能迅速以全負(fù)荷運行。

與其他熱機相比，內(nèi)燃機的劣勢為：1）內(nèi)燃機對燃料要求較高，中、高速內(nèi)燃機通常使用汽油或輕柴油作為燃料，并且對燃料清潔度要求較高，通常不使用固相燃料或劣質(zhì)燃料；2）噪聲與排氣污染問題，內(nèi)燃機目前在各個領(lǐng)域中得以廣泛應(yīng)用，但對環(huán)境的污染也日益加重；3）整機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件加工精度要求較高。

2 內(nèi)燃機地理環(huán)境適應(yīng)性和運用方式

內(nèi)燃機使用壽命不僅取決于內(nèi)燃機本身的設(shè)計和制造質(zhì)量，也取決于其使用得當(dāng)與否。其中一個指標(biāo)就是內(nèi)燃機對不同地理環(huán)境的適應(yīng)能力，其指內(nèi)燃機在高原山區(qū)等惡劣環(huán)境下工作的能力，以及適應(yīng)傾斜道路工作的能力。

2.1 內(nèi)燃機高原適應(yīng)性

內(nèi)燃機在高原地區(qū)運行時，由于海拔較高，氣壓較低、空氣稀薄，因此會使內(nèi)燃機動力性能與經(jīng)濟性能下降。

2.1.1 對內(nèi)燃機動力性的影響

通常而言，海拔高度每增加1 000 m，空氣密度減小約9%，大氣壓力下降約11.5%。由于空氣密度較低，使內(nèi)燃機充氣量下降，并且過量空氣系數(shù)減?。煌瑫r又因為氣壓降低，環(huán)境氣壓與內(nèi)燃機缸內(nèi)的壓力差減小，內(nèi)燃機壓縮終了時的壓力和溫度均降低，使混合氣的燃燒速度減緩。充氣量下降和燃燒速率降低均會使內(nèi)燃機動力性下降。通常海拔高度每上升1 000 m，發(fā)動機功率和扭矩分別下降12%和11%。

海拔高度的增加同時也會影響到內(nèi)燃機的怠速性能。由于進(jìn)氣道內(nèi)真空度降低，導(dǎo)致進(jìn)氣量不足，內(nèi)燃機怠速也會隨之下降。海拔高度每增加1 000 m，對應(yīng)的怠速會下降50 r/min，同時怠速穩(wěn)定性也會變差。

2.1.2 對內(nèi)燃機經(jīng)濟性的影響

在高原山區(qū)運行的內(nèi)燃機，進(jìn)氣充量會顯著下降。如果供油系統(tǒng)不經(jīng)調(diào)整或者校正，則會隨著海拔高度的增加，空燃比減小，油耗增加。另外，隨著大氣壓力的降低，燃料的揮發(fā)性會變大，并且易于產(chǎn)生泄露與氣阻，增大油耗。2.1.3 對內(nèi)燃機潤滑油的影響

由于在高原運行的內(nèi)燃機動力性變差，因此為保證功率輸出，內(nèi)燃機滿負(fù)荷運作的時間比例會明顯增大，容易導(dǎo)致內(nèi)燃機過熱現(xiàn)象。內(nèi)燃機工作溫度上升后，會導(dǎo)致潤滑油黏度減小，氧化速度加快。同時，過濃的混合氣無法充分燃燒，一旦竄入曲軸箱，會導(dǎo)致潤滑油的稀釋以及變質(zhì)現(xiàn)象。潤滑油品質(zhì)的降低會導(dǎo)致內(nèi)燃機潤滑不良，加劇磨損。

2.2 內(nèi)燃機在高原地區(qū)的應(yīng)用

根據(jù)內(nèi)燃機在高原地區(qū)的具體應(yīng)用特點，可采取下述措施以改善其性能。

2.2.1 減低功率運行

對沒有具備高原性能的內(nèi)燃機，如臨時需要在高原地區(qū)使用而不采取其他相應(yīng)措施，則必須降低功率運行。按高原對內(nèi)燃機動力性影響程度，相應(yīng)降低內(nèi)燃機功率和扭矩的輸出要求。如通常海拔高度每上升1 000 m，發(fā)動機功率和扭矩需要分別下降12%和11%。如不降低功率運行，會導(dǎo)致發(fā)動機過載運行，容易損壞發(fā)動機。

2.2.2 提高壓縮比

對需要長期在高原地區(qū)運行的現(xiàn)有內(nèi)燃機，可以通過采用一系列改進(jìn)措施，使發(fā)動機滿足在高原地區(qū)使用的要求。其中之一就是提高發(fā)動機的壓縮比。由于高原地區(qū)空氣稀薄，內(nèi)燃機實際進(jìn)氣充量減小，壓縮行程終了時氣缸內(nèi)的溫度和壓力均會下降。因此，可適度提高內(nèi)燃機壓縮比，既可提高壓縮終了時的缸內(nèi)溫度與壓力，又可加快燃燒速率并增大膨脹比；同時采用稀薄混合氣以提高內(nèi)燃機的動力性與經(jīng)濟性。提高壓縮比的措施有：采用高壓縮比的氣缸蓋。高壓縮比的氣缸蓋既可以是專門設(shè)計的具體產(chǎn)品，也可在原有的氣缸蓋上進(jìn)行加工處理，以采用減小燃燒室容積的方式提升壓縮比。此方法比較簡單，可獲得所需的壓縮比。除此以外，還可采用較薄氣缸墊提高壓縮比。此方法只能有限地提高壓縮比。

2.2.3 調(diào)整燃油系統(tǒng)

隨著海拔高度增加，進(jìn)氣充量減少，如不調(diào)整供油系統(tǒng)，則會導(dǎo)致混合氣變濃，燃料燃燒不完全，進(jìn)而導(dǎo)致功率下降，油耗和排放增大。因此需要根據(jù)海拔高度的變化調(diào)整燃油系統(tǒng)的循環(huán)供油量。

2.2.4 調(diào)整電控參數(shù)

隨著海拔高度增大，內(nèi)燃機壓縮終了缸內(nèi)溫度降低，導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p緩。因此對汽油機而言可將點火提前角提前約2°～3°曲軸轉(zhuǎn)角，或調(diào)整火花塞參數(shù)，以增強電火花強度。對柴油機而言，可減少燃油系統(tǒng)每循環(huán)供油量；隨著海拔高度增大，柴油噴入氣缸后的著火延遲期變長，如果燃燒速率較緩，需適當(dāng)增大噴油提前角。

2.2.5 采用含氧燃料

含氧燃料通常指摻混有酒精、丙酮及其他含氧化合物的燃料。由于摻入的燃料分子中均含有氧，因此在燃燒過程中，減少了所需的空氣量，并且可補償因氣壓降低而產(chǎn)生的進(jìn)氣充量不足。采用含氧燃料，需要進(jìn)行相關(guān)臺架試驗進(jìn)行評估，以確保此措施對發(fā)動機正常運行沒有不良影響。

2.2.6 采用進(jìn)氣增壓裝置

由于受到爆震等問題的限制，增壓技術(shù)在汽油機領(lǐng)域的應(yīng)用起步較晚，而柴油機則不受該制約。在2 000 m以上的高原工作時，為保證足夠的功率儲備，裕量較小的內(nèi)燃機需要加裝增壓器，通過增加進(jìn)氣充量來提高壓縮終了時缸內(nèi)溫度與壓力，用以彌補內(nèi)燃機的功率并改善其燃油經(jīng)濟性。同時，內(nèi)燃機的增壓器應(yīng)有足夠的工作裕量，不因產(chǎn)生壓氣機喘振或者由于排氣溫度過高導(dǎo)致渦輪損壞。

2.2.7 保證蓄電池的可靠性

內(nèi)燃機無法自行起動，需要在外力作用下方可起動。電起動是最為常見的起動方式，因此蓄電池的可靠性就尤為重要。需定期檢查蓄電池，并且補充蒸餾水及電解液，以保證蓄電池的良好功能。

2.2.8 改善潤滑條件

在高原地區(qū)運行的內(nèi)燃機，其所使用的潤滑油需具備良好的黏溫特性，以確保發(fā)動機在低溫環(huán)境下具備良好的起動性能，在高溫環(huán)境下具備良好的潤滑性能。同時為了避免潤滑油變質(zhì)，需維持良好的曲軸箱通風(fēng)，并采用機油散熱器進(jìn)行散熱。

2.3 內(nèi)燃機的其他地理環(huán)境適應(yīng)性要求

通常而言，坦克、工程機械內(nèi)燃機需要在前、后傾斜30°～40°以及側(cè)傾20°～35°的條件下進(jìn)行正常工作；而拖拉機、汽車等僅需在前、后傾斜20°～30°以及側(cè)向傾斜20°的情況下進(jìn)行正常工作；船用柴油機需要在較大的縱橫搖擺度下正常工作；對于坦克用柴油機而言，還應(yīng)具備潛渡涉水等能力。在水下運行時，內(nèi)燃機需要采用防水密封結(jié)構(gòu)，并需要適當(dāng)考慮遙控措施。

3 內(nèi)燃機氣候環(huán)境適應(yīng)性和運用方式

內(nèi)燃機氣候環(huán)境適應(yīng)性指標(biāo)是指內(nèi)燃機對不同氣候環(huán)境的適應(yīng)能力，需要內(nèi)燃機在高溫地區(qū)具備足夠的散熱能力，且不會產(chǎn)生過熱現(xiàn)象；在高寒地區(qū)則能迅速起動。

3.1 內(nèi)燃機高溫適應(yīng)性

在高溫條件下，內(nèi)燃機冷卻系統(tǒng)的散熱能力明顯下降，容易導(dǎo)致過熱，并且會使內(nèi)燃機的進(jìn)氣充量下降、潤滑性能惡化、供油系統(tǒng)產(chǎn)生氣阻并影響到燃燒過程，使內(nèi)燃機的動力性、經(jīng)濟性及可靠性下降。

3.1.1 對內(nèi)燃機進(jìn)氣充量的影響

當(dāng)進(jìn)氣溫度升高后，其與內(nèi)燃機缸壁的溫差減小。盡管可采用適當(dāng)措施提升充量系數(shù)，但由于在高溫條件下內(nèi)燃機機體溫度較高，空氣密度還是會迅速下降并使內(nèi)燃機充量系數(shù)減小，從而導(dǎo)致內(nèi)燃機功率降低。

3.1.2 對內(nèi)燃機燃燒過程的影響

在外界溫度較高的前提下，進(jìn)入內(nèi)燃機的混合氣溫度也隨之升高，內(nèi)燃機整個工作循環(huán)的溫度也隨之上升。同時由于冷卻系統(tǒng)的冷卻能力下降，會導(dǎo)致內(nèi)燃機過熱，燃燒室壁溫、氣缸壁溫上升，會在接近爆震極限的條件下運轉(zhuǎn)，易產(chǎn)生不正常燃燒現(xiàn)象。不僅如此，不正常燃燒現(xiàn)象容易導(dǎo)致內(nèi)燃機整機的機械負(fù)荷和熱負(fù)荷上升，使零件發(fā)生熱變形甚至產(chǎn)生裂紋；并且加劇磨損現(xiàn)象的產(chǎn)生。