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發(fā)動機工作時在內(nèi)部是如何承受兩千多度的高溫的?

作者: 汽配人網(wǎng) 發(fā)表于: 2018-04-17

如何承受兩千多度?不用考慮,因為并不需要承受。發(fā)動機宏觀的平均溫度也就一百多度,局部一些部件能有兩三百度,最熱的排氣閥門大幾百度。

你說的燃燒的最高溫度是兩千多攝氏度(汽油最高2500k左右,柴油2000k左右),這沒問題,但是這和發(fā)動機要承受這個溫度是兩件事兒。

簡單來說,發(fā)動機能在宏觀上保持在一百多度,是因為這個狀態(tài)下高溫氣體傳遞給它的能量和發(fā)動機能用散熱系統(tǒng)帶走的能量是平衡的。

在具體說,就是因為發(fā)動機有冷卻系統(tǒng),而且這個冷卻系統(tǒng)(對于搞定燃燒能給發(fā)動機傳遞的熱量而言)是足夠有效的。

考慮一個由氣缸蓋,氣缸壁,活塞,進排氣閥門所圍成的燃燒室,氣缸壁和汽缸蓋一側(cè)貼著燃燒室,另一側(cè)貼著冷卻水,

發(fā)動機

由于金屬的導(dǎo)熱性足夠好,使得貼著燃燒室的氣缸壁和汽缸蓋在溫度升高之后,馬上就開始向冷卻水一側(cè)傳遞熱量,并且這個傳遞的速率足夠大,使得氣缸壁和汽缸蓋溫度只需要稍微高一點,建立的溫度梯度就足夠?qū)С龈邷貧怏w傳遞給他們的熱量。(在冷卻水回路工作正常的情況下)

以上是散熱端,即散熱有效,熱源端是反過來的,所謂的熱源其實沒那么熱。

雖然發(fā)動機最高燃燒溫度兩千多,但是時間是很短的,只有做工沖程開始那段,如果考慮整個進氣行程低溫的空氣,兩者一中和就沒多少了,這也就導(dǎo)致,整個循環(huán)的平均氣體溫度其實沒那么夸張,也就大幾百度。

綜合以上兩者,就是為什么發(fā)動機整體平均溫度只需要一百多度就足夠了,下圖是一個八缸汽油發(fā)動機某工況下,一個完整循環(huán)內(nèi)氣缸壁的溫度,減去273才是攝氏度,這么看也就是一百多度。

總結(jié)來說,就是發(fā)動機比較強的散熱能力和因為自身工作原理導(dǎo)致的非常短暫的高溫瞬間的特性,使得其可以承受(或者說允許)很高的溫度,從而獲得很高的單位質(zhì)量工質(zhì)的功率密度。(不是發(fā)動機的)

發(fā)動機

如果想看更全面的溫度分布,可以參考下面這個圖,展示的是氣缸壁的溫度(減去273是攝氏度),是從曲軸的位置往上看,溫度在100-200攝氏度。

發(fā)動機

下面這個也說明了類似的情況,氣缸壁內(nèi)測溫度在120(底部)-200(頂部)攝氏度。

發(fā)動機

當然,此時還是有一些相對比較重要的部件,比如汽缸蓋溫度是比氣缸壁高的,因為接觸燃燒最熱的地方,但是整體也就高個幾十度,氣缸壁中下部分其實溫度不高。

活塞的溫度也比較高,這是因為活塞類似汽缸蓋并且沒有直接地散熱途徑,

發(fā)動機

這也是為什么,現(xiàn)代的發(fā)動機都會在曲軸箱下面有個往上噴機油的噴嘴,這樣活塞運動到最底部的時候,就可以被機油冷卻,雖然沒有冷卻水那么好用,但是也比沒有強了。

發(fā)動機

這個時候,有人已經(jīng)想到了。其實問題最嚴峻的不是活塞,而是排氣閥門。因為不同于燃燒室內(nèi)的其他部件,排氣閥門的背面要持續(xù)不斷地面對排氣歧管里的高溫排氣,這個時候就不是瞬態(tài)的問題了,而是穩(wěn)態(tài)的問題。一般排氣閥門都需要承受700-800攝氏度的高溫,這也是為什么所謂的中空注鈉排氣閥門的由來,增加傳熱性能,降低因為升溫導(dǎo)致的負荷。保時捷之前做過一個991.1的卡雷拉自吸發(fā)動機的排氣閥門溫度測試,大概看起來是這樣,閥門背面基本在600-700攝氏度。

發(fā)動機

至于發(fā)動機上溫度再高的地方,也是有的,那就是排氣歧管和渦輪了,因為他們是一直持續(xù)不斷地接受排氣的高溫,是完整的穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。在最大功率點,溫度得在950-1000攝氏度了,不過這不屬于你問的發(fā)動機內(nèi)部了,而是“嚴格”地屬于外部。

發(fā)動機

這也是為什么在汽油機上除了911Turbo,沒有人用可變渦輪的原因