问题

发动机工作时其内部是如何承受两千多度的高温的?

回答
一台发动机在运转时,内部的温度可不是闹着玩的,特别是燃烧室那种地方,瞬间冒出的火苗能轻松飙到两三千摄氏度,这可比铁水还要烫得多。那这些钢铁铸就的大家伙,是怎么在这种“烈火烹油”的环境下还能好好工作的呢?这背后可是一门相当精密的科学和工程艺术。

首先,得明白,我们说的“两千多度”不是发动机整体的温度,而是燃油在燃烧瞬间,在活塞顶上和气缸壁的某个点上,局部达到的最高温度。整个发动机其他部件的温度要低得多,而且是有梯度分布的。

1. 材料的“硬核”选择:

你以为发动机里用的都是普通的钢材?那你就小瞧它了。为了能在高温下不至于软化变形,甚至崩解,发动机内部的关键部件,比如活塞、气缸壁、气门,都得是“耐高温特种部队”。

活塞: 它们是直接承受燃烧冲击和高温的“冲锋陷阵”者。高品质的活塞通常是用铝合金制造的,但不是普通的铝。它们会加入硅 (Si)、铜 (Cu)、镁 (Mg)、锌 (Zn) 等元素,形成所谓的“铸铝硅合金”或“锻铝合金”。加入硅可以大大提高铝合金的耐高温性和硬度,降低热膨胀系数,这是活塞能在高温下保持尺寸稳定的关键。有些高性能发动机还会用到铝陶瓷复合材料,这玩意儿的耐热性和强度就更上一层楼了。
气缸壁: 它们可是活塞的“长期合作伙伴”,需要承受频繁的摩擦和高温。一般会使用铸铁,但也不是普通的铸铁。高等级的铸铁,比如灰铸铁或球墨铸铁,会通过特殊的冶炼和热处理工艺,形成细密均匀的石墨组织,提供良好的强度、耐磨性和导热性。在一些高级发动机上,气缸壁内表面还会有一层特殊的涂层,比如等离子喷涂的陶瓷涂层,或者铬镍铁合金,这层硬涂层可以大幅提升耐磨性和耐高温能力,同时也能隔离一部分热量。
气门: 它们可是发动机的“呼吸口”,承受着燃烧气体的高温和高速冲击。负责吸气和排气的气门,材料和待遇是不同的。
进气门: 相对好对付一些,通常用铬钼钢或者硅铬钢。
排气门: 那就辛苦多了,因为它们直接接触高温燃烧产物。通常会采用镍基高温合金,比如英科乃尔合金(Inconel)这类材料,它们能在极高的温度下保持强度和抗氧化性。更绝的是,有些排气门还会进行堆焊,比如在气门头焊接一层钴基硬质合金,这层“盔甲”能让它在高温高压下纹丝不动。
燃烧室盖(缸盖): 缸盖也是承受高温和高压的主力。它通常也是用铝合金或者铸铁制造,但为了应对高温,在靠近燃烧室的区域,会采用更耐热的合金,或者在设计上就有巧妙的散热通道。

2. 精妙的“冷却系统”:

你以为发动机就靠材料硬扛?那可不行。如果仅仅依靠材料,即使是最好的材料,长时间暴露在两千多度的高温下,也会不堪重负。所以,强大的冷却系统是必不可少的,它就像给发动机“降温”。

水冷系统: 这是最常见的冷却方式。发动机内部水道密布,冷却液(防冻液)在其中循环。这些冷却液从水泵抽取,流经发动机的各个发热部位(缸体、缸盖、燃烧室周围),吸收热量,然后流到散热器(水箱)那里,通过空气流动将热量散发出去,再重新回到发动机。整个过程就像一个巨大的“能量搬运工”,不断地将燃烧产生的热量“搬走”。
油冷系统(机油): 机油不仅仅是润滑,它还有一个非常重要的作用就是冷却。机油在发动机内部流动,流经曲轴、连杆、活塞裙部等运动部件,不仅带走摩擦产生的热量,还能从活塞底部等高温区域吸收热量。很多高性能发动机还会配备机油冷却器,就像小型的散热器一样,进一步降低机油温度。
空气冷却(少量): 少数小型或老式发动机可能采用风冷,但对于追求高效率和高功率的现代发动机来说,水冷是主流。

3. “热管理”的设计艺术:

除了材料和冷却,工程师们在设计时还会考虑如何“管理”这些热量,让它们尽可能的“各司其职”,而不是造成破坏。

气缸壁的喷油冷却: 在很多现代发动机的活塞裙部下方,会有一个细小的喷油孔,直接喷射机油到活塞底部。这就像给活塞“冲澡”,将活塞顶部承受的巨大热量迅速带走。
冷却液通道的优化: 工程师们会精心设计冷却液在缸体和缸盖内的流动路径,确保热量能够被均匀地带走,避免出现“热点”,也就是局部温度过高的区域。
气门的冷却: 排气门在工作中会比进气门热得多。为了给排气门降温,有些发动机的排气门内部会填充钠。钠在高温下会融化成液态,在气门往复运动时,就像一个小型的“热量泵”,将热量从气门头传递到气门杆,再传递到气门导管,通过导管的冷却,将热量散发出去。这是一种非常高效的冷却方式。
燃烧室形状的优化: 燃烧室的形状也会影响温度分布。设计得当的燃烧室,能促进燃油的充分燃烧,同时避免过高的局部温度,比如通过避免锐利的棱角,让气体流动更平缓。

4. 润滑的“防火墙”作用:

前面提到了机油的冷却作用,但润滑本身也创造了一种“防火墙”。

油膜隔离: 活塞和气缸壁之间,以及曲轴、连杆等运动部件之间,都有一个非常薄的机油层。这个油膜不仅减少了摩擦,也提供了一层隔热作用,阻止了金属与金属之间的直接接触,以及高温燃烧气体直接“灼烧”金属表面。

总结一下,发动机内部之所以能在两千多度的高温下工作,是多种因素协同作用的结果:

用了“牛逼”的材料: 各种耐高温、高强度的合金,甚至复合材料。
有个给力的“冷却大队”: 水冷、油冷,甚至油嘴喷油降温。
精密的“热管理”设计: 优化冷却通道、特殊的内部冷却设计,以及合理的燃烧室形状。
润滑系统的“双重保障”: 既减磨又隔热。

这就像一个复杂的生命维持系统,每一个环节都至关重要,环环相扣,才能让这个钢铁巨兽在烈火中保持高效和稳定。所以,下次你听到发动机轰鸣声,不妨想象一下它内部正在进行的这场“高温马拉松”,真是让人惊叹不已。

网友意见

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要不是我手头有一些发动机温度数据的材料,都不好回答这个问题。。。

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2500左右,柴油2000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,

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)



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。

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(顶部)摄氏度。

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,


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。



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。


至于发动机上温度再高的地方,也是有的,那就是排气歧管和涡轮了,因为他们是一直持续不断地接受排气的高温,是完整的稳态现象。在最大功率点,温度得在950-1000摄氏度了,不过这不属于你问的发动机内部了,而是“严格”地属于外部。

这也是为什么在汽油机上除了911Turbo,没有人用可变涡轮的原因

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