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發動機工作時其內部是如何承受兩千多度的高溫的?

2018-03-19知識

要不是我手頭有一些發動機溫度數據的材料,都不好回答這個問題。。。

如何承受兩千多度?不用考慮,因為並不需要承受。發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2500左右,柴油2000左右),這沒問題,但是這和發動機要承受這個溫度是兩件事兒。

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

在具體說,就是因為發動機有冷卻系統, 而且這個冷卻系統(對於搞定燃燒能給發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貼著燃燒室,另一側貼著冷卻水,

由於金屬的導熱性足夠好,使得貼著燃燒室的氣缸壁和汽缸蓋在溫度升高之後,馬上就開始向冷卻水一側傳遞熱量, 並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匯出高溫氣體傳遞給他們的熱量。 (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麽熱。

雖然發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,這也就導致,整個迴圈的平均氣體溫度其實沒那麽誇張,也就大幾百度。

綜合以上兩者,就是為什麽發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動機某工況下,一個完整迴圈內氣缸壁的溫度,減去273才是攝氏度,這麽看也就是一百多度。

總結來說,就是發動機比較強的散熱能力和因為自身工作原理導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素工質的功率密度。 (不是發動機的)

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。

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

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,氣缸壁中下部份其實溫度不高。

活塞的溫度也比較高,這是因為活塞類似汽缸蓋並且沒有直接地散熱途徑,

這也是為什麽,現代的發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,雖然沒有冷卻水那麽好用,但是也比沒有強了。

這個時候,有人已經想到了。其實問題最嚴峻的不是活塞,而是排氣閥門。因為不同於燃燒室內的其他部件,排氣閥門的背面要 持續不斷地 面對排氣歧管裏的高溫排氣,這個時候就 不是瞬態的問題了,而是穩態的問題。 一般排氣閥門都需要承受700-800攝氏度的高溫,這也是為什麽所謂的中空註鈉排氣閥門的由來,增加傳熱效能,降低因為升溫導致的負荷。保時捷之前做過一個991.1的卡雷拉自吸發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。

至於發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不斷地接受排氣的高溫,是完整的穩態現象。在最大功率點,溫度得在950-1000攝氏度了,不過這不屬於你問的發動機內部了,而是「嚴格」地屬於外部。

這也是為什麽在汽油機上除了911Turbo,沒有人用可變渦輪的原因