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发动机工作时是如何承受两千多度的高温的?

2018-04-17 09:54 来源: 盖世汽车

如何承受两千多度?不用考虑,因为并不需要承受。发动机宏观的平均温度也就一百多度,局部一些部件能有两三百度,最热的排气阀门大几百度。

你说的燃烧的最高温度是两千多摄氏度(汽油最高2500k左右,柴油2000k左右),这没问题,但是这和发动机要承受这个温度是两件事儿。

简单来说,发动机能在宏观上保持在一百多度,是因为这个状态下高温气体传递给它的能量和发动机能用散热系统带走的能量是平衡的。

在具体说,就是因为发动机有冷却系统,而且这个冷却系统(对于搞定燃烧能给发动机传递的热量而言)是足够有效的。

考虑一个由气缸盖,气缸壁,活塞,进排气阀门所围成的燃烧室,气缸壁和汽缸盖一侧贴着燃烧室,另一侧贴着冷却水,

发动机工作时是如何承受两千多度的高温的?

由于金属的导热性足够好,使得贴着燃烧室的气缸壁和汽缸盖在温度升高之后,马上就开始向冷却水一侧传递热量,并且这个传递的速率足够大,使得气缸壁和汽缸盖温度只需要稍微高一点,建立的温度梯度就足够导出高温气体传递给他们的热量。(在冷却水回路工作正常的情况下)

以上是散热端,即散热有效,热源端是反过来的,所谓的热源其实没那么热。

虽然发动机最高燃烧温度两千多,但是时间是很短的,只有做工冲程开始那段,如果考虑整个进气行程低温的空气,两者一中和就没多少了,这也就导致,整个循环的平均气体温度其实没那么夸张,也就大几百度。

综合以上两者,就是为什么发动机整体平均温度只需要一百多度就足够了,下图是一个八缸汽油发动机某工况下,一个完整循环内气缸壁的温度,减去273才是摄氏度,这么看也就是一百多度。

总结来说,就是发动机比较强的散热能力和因为自身工作原理导致的非常短暂的高温瞬间的特性,使得其可以承受(或者说允许)很高的温度,从而获得很高的单位质量工质的功率密度。(不是发动机的)

发动机工作时是如何承受两千多度的高温的?

如果想看更全面的温度分布,可以参考下面这个图,展示的是气缸壁的温度(减去273是摄氏度),是从曲轴的位置往上看,温度在100-200摄氏度。

发动机工作时是如何承受两千多度的高温的?

下面这个也说明了类似的情况,气缸壁内测温度在120(底部)-200摄氏度。

发动机工作时是如何承受两千多度的高温的?

当然,此时还是有一些相对比较重要的部件,比如汽缸盖温度是比气缸壁高的,因为接触燃烧最热的地方,但是整体也就高个几十度,气缸壁中下部分其实温度不高。

活塞的温度也比较高,这是因为活塞类似汽缸盖并且没有直接地散热途径,

发动机工作时是如何承受两千多度的高温的?

这也是为什么,现代的发动机都会在曲轴箱下面有个往上喷机油的喷嘴,这样活塞运动到最底部的时候,就可以被机油冷却,虽然没有冷却水那么好用,但是也比没有强了。

发动机工作时是如何承受两千多度的高温的?

这个时候,有人已经想到了。其实问题最严峻的不是活塞,而是排气阀门。因为不同于燃烧室内的其他部件,排气阀门的背面要持续不断地面对排气歧管里的高温排气,这个时候就不是瞬态的问题了,而是稳态的问题。一般排气阀门都需要承受700-800摄氏度的高温,这也是为什么所谓的中空注钠排气阀门的由来,增加传热性能,降低因为升温导致的负荷。保时捷之前做过一个991.1的卡雷拉自吸发动机的排气阀门温度测试,大概看起来是这样,阀门背面基本在600-700摄氏度。

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