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    發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)在內(nèi)部是如何承受兩千多度的高溫的?

    文章來(lái)源:蘇黎世貝勒爺
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    發(fā)布時(shí)間:2018-04-17 14:37:59

      如何承受兩千多度?不用考慮,因?yàn)椴⒉恍枰惺堋0l(fā)動(dòng)機(jī)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(shuō)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(méi)問(wèn)題,但是這和發(fā)動(dòng)機(jī)要承受這個(gè)溫度是兩件事兒。


      簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),發(fā)動(dòng)機(jī)能在宏觀上保持在一百多度,是因?yàn)檫@個(gè)狀態(tài)下高溫氣體傳遞給它的能量和發(fā)動(dòng)機(jī)能用散熱系統(tǒng)帶走的能量是平衡的。


      在具體說(shuō),就是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)有冷卻系統(tǒng),而且這個(gè)冷卻系統(tǒng)(對(duì)于搞定燃燒能給發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞的熱量而言)是足夠有效的。


      考慮一個(gè)由氣缸蓋,氣缸壁,活塞,進(jìn)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,


      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(kāi)始向冷卻水一側(cè)傳遞熱量,并且這個(gè)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(diǎn),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(guò)來(lái)的,所謂的熱源其實(shí)沒(méi)那么熱。


      雖然發(fā)動(dòng)機(jī)最高燃燒溫度兩千多,但是時(shí)間是很短的,只有做工沖程開(kāi)始那段,如果考慮整個(gè)進(jìn)氣行程低溫的空氣,兩者一中和就沒(méi)多少了,這也就導(dǎo)致,整個(gè)循環(huán)的平均氣體溫度其實(shí)沒(méi)那么夸張,也就大幾百度。


      綜合以上兩者,就是為什么發(fā)動(dòng)機(jī)整體平均溫度只需要一百多度就足夠了,下圖是一個(gè)八缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)某工況下,一個(gè)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(lái)說(shuō),就是發(fā)動(dòng)機(jī)比較強(qiáng)的散熱能力和因?yàn)樽陨砉ぷ髟韺?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(shuō)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(dòng)機(jī)的)


      如果想看更全面的溫度分布,可以參考下面這個(gè)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(gè)也說(shuō)明了類似的情況,氣缸壁內(nèi)測(cè)溫度在120(底部)-200(頂部)攝氏度。


      當(dāng)然,此時(shí)還是有一些相對(duì)比較重要的部件,比如汽缸蓋溫度是比氣缸壁高的,因?yàn)榻佑|燃燒最熱的地方,但是整體也就高個(gè)幾十度,氣缸壁中下部分其實(shí)溫度不高。


      活塞的溫度也比較高,這是因?yàn)榛钊愃破咨w并且沒(méi)有直接地散熱途徑,


      這也是為什么,現(xiàn)代的發(fā)動(dòng)機(jī)都會(huì)在曲軸箱下面有個(gè)往上噴機(jī)油的噴嘴,這樣活塞運(yùn)動(dòng)到最底部的時(shí)候,就可以被機(jī)油冷卻,雖然沒(méi)有冷卻水那么好用,但是也比沒(méi)有強(qiáng)了。


      這個(gè)時(shí)候,有人已經(jīng)想到了。其實(shí)問(wèn)題最嚴(yán)峻的不是活塞,而是排氣閥門。因?yàn)椴煌谌紵覂?nèi)的其他部件,排氣閥門的背面要持續(xù)不斷地面對(duì)排氣歧管里的高溫排氣,這個(gè)時(shí)候就不是瞬態(tài)的問(wèn)題了,而是穩(wěn)態(tài)的問(wèn)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(lái),增加傳熱性能,降低因?yàn)樯郎貙?dǎo)致的負(fù)荷。保時(shí)捷之前做過(guò)一個(gè)991.1的卡雷拉自吸發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣閥門溫度測(cè)試,大概看起來(lái)是這樣,閥門背面基本在600-700攝氏度。


      至于發(fā)動(dòng)機(jī)上溫度再高的地方,也是有的,那就是排氣歧管和渦輪了,因?yàn)樗麄兪且恢背掷m(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(diǎn),溫度得在950-1000攝氏度了,不過(guò)這不屬于你問(wèn)的發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部了,而是“嚴(yán)格”地屬于外部。


      這也是為什么在汽油機(jī)上除了911Turbo,沒(méi)有人用可變渦輪的原因

     

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