发动机工作时其内部是如何承受两千多度的高温的?

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zcheng5979640 发表于 2023-10-29 02:26:42|来自:北京 | 显示全部楼层 |阅读模式
燃烧导致的高温,发动机是如何承受的?
提问者加:我问的就是汽车发动机。
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yedan888 发表于 2023-10-29 02:26:51|来自:北京 | 显示全部楼层
有没有可能,其实我还是汽车板块答主?内燃机这方面俺寻思俺还是略懂一点的。
遇题不慌,先审题,发动机内部的工作温度2000多度是不是正确的?
其实吧,发动机本身承受不了2000度的高温,承受如此高温的仅仅是燃烧室,而且是瞬态。
接下来的就是迅速的膨胀推动活塞降温以及作为废气被排出和被冷却带走。




这次来讲讲发动机的热力过程与热机循环。
发动机的一个工作循环就是完成一个热机循环,但是发动机工作循环并不符合热力学中的热机循环定义。

一个是此循环并非外界向系统加热,而是燃烧放热后工质的温升;二个是进排气的换气过程使工质发生了交换,是一个开口系统,而非封闭系统。就是说这玩意一会向系统加热一会又向外界放热。
回到问题本身,在实际的发动机压缩、燃烧和膨胀过程中,工质都会与周边进行热交换,而不是理想的绝热过程。
缸内工质向外传热的部位有三个:活塞顶面、气缸盖底面和缸套壁面。(也就是燃烧室的四周,让这些玩意一直顶着高温,他们也顶不住啊)
而上面三这样不是密布各种冷却水道,就是被润滑系统的机油反复滋润。




为了方便不懂的朋友更加直观的了解,特意找了一个不加防冻液加自来水的反面典型,方便大家区分水道。



冷却系统没什么好讲的,水就是最好的冷却液。通常所说的防冻液就是添加了防腐防锈蚀等添加剂的水基冷却液。冷却系统简单来说水泵+水的热交换让冷却液来循环,自然风+风扇来降温。
下面再来谈谈润滑条件的影响。

发动机的润滑系统除了具有减小摩擦损失的功能外,还可防止机件磨损,加强气缸的密封性,清除机内杂质以及对活塞等高温件进行冷却。
再来谈谈润滑油(也称机油)。发动机在冷启动和低温工况下运行时,不允许润滑油的黏度过高;而在发动机充分暖机后,又不允许润滑油的黏度过低,以免破坏机件表面的油膜而出现干摩擦状态,同时也避免气密状态的恶化,而增大润滑油的耗量。
保持发动机正常的水温和油温以及保持正常的传热条件,对保持润滑油合适的黏度非常重要。正常水温受沸点限制,一般以80-95℃为宜;正常润滑油温度则在85-110℃范围内为宜,高品质的润滑油则可允许在更高/更低的温度下工作。
选用发动机润滑油的原则是:在保证各种环境和工况均能可靠润滑的前提下,尽量选用低黏度的润滑油以减小摩擦损失,改善发动机的起动性能。
具体可以参考一下我过去的两篇文章。

梅卡:关于润滑油的一点浅谈
梅卡:关于润滑油的一点浅谈(二)

而我自己,在一个离谱的环境开着两台离谱的车。
先说离谱的车,一台虽然是六缸机但是单缸排量远高于其他汽油机,长期经历各种低速高负荷工况,两者叠加热负荷爆表。(夸张)
所以这车不光配备了电子扇,还配备了发动机直连的硅油风扇。早期款更是直接配备了纯铜水箱。




跑了50多万公里的丰田直列六缸机1FZ-FE,这个成色就问行不行



另一台气缸都呈横卧形状,而且是对向排列,因此,要将机油抽送到气缸各处参与润滑,其难度比直列或V型发动机要大得多。更难的是参与润滑后的机油无法在重力下回流到油底壳,必须通过机油泵才能回到机油箱。




跑了近30万公里的EJ25 H4。


再说离谱的环境。
空气:
随着海拔增高、气压降低、空气密度减小,每立方米空气中的氧气含量逐渐递减,海拔3000米时相当于海平面的73%上下,4000米时约为62%~65.4%,到5000米时为59%左右。受空气密度影响车动力会比在内地要差很多。比方我的车在阿里地区跑上个坡就要切二挡拉高转才行。什么?你说涡轮?要达到同样的压力,涡轮的转速也要比在低海拔地区高得多,导致了高温寿命短。跟涡轮诞生之出专用于高空的涡轮是不同的。




换个涡轮也是常有的事


温度:
除了藏南谷地之外,其他地方属于典型的高原高寒气候,年平均气温零度都不到,部分地区冰冻期长达半年。但是紫外线超强,一旦堵车,晒长时间,温度暴增,上车热死下车冷死......
路况:
山区,重载,越野,堵车。样样都有。
山区就不说了,全是山。两三千米的长坡道。从海拔不到千米的地方一路上坡到海拔5000+的垭口翻山。








不知道的还以为在开飞机。



重载,工作原因,坐满一车人,再加上一车行李。陆巡原厂弹簧都更换过。
越野,除了北极圈冻土路段,第二大就是俺们这了。很多人第一次来 看到路边告示牌写着‘减速 跳车’字样还在懵逼中下一秒车就腾空而起。
堵车,夏天的川藏线,冬天的青藏线。堵几个小时那都不叫事。
以上就是我开的车所处的日常工况。

那么,我用什么机油应对上述恶劣工况问题呢?
口说无凭,先上截图,作为曾经的机油行业从业者,我选择在途虎解决保养的问题。




即便是在西藏这种欠发达地区,途虎的门店依然能够覆盖到,产品与服务也依然与长三角保持了一致的水准。
最近的几次保养,我都为我的斯巴鲁傲虎换装了驾驰机油。
选这个牌子的逻辑也很简单。过去我们都习惯用一线的国际大牌,原因是他们拥有庞大的产品线,从矿物油到PAO全合成都有覆盖,但如果你要买这些品牌的全合成产品,甚至是旗舰产品,价格就会水涨船高。
而驾驰机油的价格看起来就亲民很多了,起步就是全合成配方,配合途虎的促销活动,入门级全合成Classic系列,可以做到百元出头一次全合成保养。
目前,驾驰的机油都是由韩国SK集团代工,这是韩国第三大跨国企业,化工是它的主业之一。而我在途虎养车APP输入了我的车型之后,系统自动就推荐了中间档次的Pionner先锋系列5W-30全合成机油,都不用我自己去选,特省事。




驾驰先锋系列的机油,采用了SK VHVI技术,其最大特点就是具备优异的高低温性能,能够适应各种环境气候下发动机的启动要求,在更苛刻条件下有效保护发动机,完美匹配我在西藏的用车需求。而在行业和厂商认证方面,分别拿到了API SP级别,也就是目前美国石油协会最高的级别认证。以及Ford M2C961-A1的厂商认证。




换油保养的体验,当然是一如既往的高效、快速。




其实驾驰的产品线很丰富,远远不止机油这一项那么简单。
我认为驾驰这个品牌最大的意义就是让消费者可以不用搞懂上面说的这些门门道道,而直接提供一整套的解决方案。
从机油到空调系统养护,再到各种部件的深度除积碳产品都有覆盖,甚至还有蓄电池。汽车的这些系统之间,每一个都存在知识和信息壁垒,消费者要了解的难度很大,过去只能在4S店或者修理厂任人宰割,而在途虎落地的驾驰养护产品解决了几个用户痛点:




一是“优选”模式,让用户放心选购。
前面说到,如果要做换油保养,这些年来大家都知道怎么选了,预算够直接上全合成,肯定万无一失。但问题是,如果要做发动机内部的除积碳等服务,我们怎么保证施工用到的产品是靠谱的?
驾驰其实是通过类似于网易严选、山姆M&M的模式,将优秀的供应商整合到驾驰品牌下。比如驾驰的蓄电池、刹车油等等,这些产品背靠的都是国际大牌的供应链配套体系,对消费者来说是可以完全信赖的。
二是透明的价格、标准的服务。
汽车养护产品那么多,消费者的选购是非常困难的,而现在只需要在途虎上绑定车型、年款、里程数,即可自动匹配驾驰的养护产品。价格非常透明,没有任何套路。所有车主都与我一样,在途虎的任何工场店,都可以享受到标准化的施工流程和服务品质。
以上。
随风舞动 发表于 2023-10-29 02:27:07|来自:北京 | 显示全部楼层
因为发动机有冷却系统。
无论你的热源温度多高,都需要把热量传递给发动机,才能使发动机升温。
只要冷却效率足够高,随时把传给发动机的热量再传出去,就可以维持发动机自身的温度在合理范围内,金属恰恰是导热很快的物质。
发动机工作温度一般也就是一百度左右,这个温度对金属来说,连洗个温水澡都算不上。

如果你用其他材料,比如导热慢的陶瓷做发动机,就可能出现因为导热太慢,一侧已经很热了,另一侧还没热,热量传不出去,造成热的那一侧温度超过材料允许的范围。
威廉.尚 发表于 2023-10-29 02:28:00|来自:北京 | 显示全部楼层
刚好做的发动机缸套传热这一块,貌似有资格答一发。
        怎么说呢,一般功率发动机在缸内燃气剧烈燃烧时大概每循环有30度以上时间处于2000℃以上,最高能有2300℃甚至更高,对于强化后的发动机(例如坦克发动机,尤其是近两代)就更不用说了。那么问题来了,为什么发动机燃烧室材料能承受如此之高的温度呢。
        首先我们先来看一下缸套换热过程



由上图可以发现内燃机缸套的传热过程包括导热、对流换热、辐射换热三个环节,高温燃气与燃烧室壁面之间为对流换热和辐射换热;热量由燃烧室的内侧表面传递到外侧表面,或者由燃烧室高温零件传递到低温零件为导热过程;热量由缸体壁面传给水套中冷却水或者大气环境,当传热给冷却水时,为对流换热;当传给大气环境时,则含有对流换热和辐射换热。
        所以我们就能找到为什么缸套为什么能承受如此高温度了。大概包括以下两点:
       (1)缸内高温高压燃气处于高速运动中,试想发动机在2000r/min时,缸内每分钟要经过1000次进排气,混合后的燃气温度也就没那么高了,也就900℃左右,然后燃气再与缸套内壁面与燃气接触部位进行对流换热(辐射换热量较小,暂忽略)。
        (2)缸套仅活塞上止点以上内壁面与高温燃气接触,相对应与外侧循环冷却水一直在对缸套进行冷却,将大量热量带走,缸套下部也通过辐射及对流换热将部分热量散出。
         因而综合作用的结果,对于功率较大缸套内壁面顶部最高温度也就两百多摄氏度,这对铸铁或者强化型柴油机缸套还是可以接受的。
附几张之前做的工作:



(一个循环内缸内燃气温度随曲轴变化)



(蒸发水冷某型号发动机某工况缸套温度)



(某循环水冷发动机某工况缸套温度场)
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ybhl 发表于 2023-10-29 02:28:53|来自:北京 | 显示全部楼层
你可以把发动机想象成一口锅,燃烧室就是锅底,燃油在里面燃烧就是灶具在给锅底加温。
通常你家所有的锅放在灶具上空烧,都会烧坏的。
加上水就不一样了。
水的沸点是100℃,锅体差不多也就只能被加热到100℃
在发动机工作的时候,冷却液和润滑油都相当于锅里的水
所以燃料燃烧产生的温度不等于缸体会被加热到温度。
有个小朋友的科普实验,纸可以做一口小锅,加上水,直接加热把水煮沸。
Sungzu 发表于 2023-10-29 02:29:22|来自:北京 | 显示全部楼层
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
为什么只有保时捷911Turbo的发动机使用了可变涡轮技术?

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