燃烧室不同部位温度分析

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：气门头部中央温度为700℃以下时安全，但如果超过此温度，气门容易损坏。图8-25显示了在4气缸点燃式发动机气缸盖上多个位置测量的温度分布。

1.排气门

排气门、气门座和火花塞都是直接与高温燃烧气体直接接触的部位，温度在燃烧室中最高，可以达到800～900℃。虽然气门通过气门杆、气门导管和气门座进行冷却，但为了防止气门落座时的热应力和气门杆的粘附等，需要采取积极的冷却措施。小尺寸气门是通过气门杆散热的热量多，而大尺寸气门是通过气门座散热的热量多。

图8-23所示为测量排气门温度的例子。气门头部中央温度为700℃以下时安全，但如果超过此温度，气门容易损坏。图8-24的右侧所示为温度达到900℃时的例子。作为排气门防高温对策，在气门座部位镀硬合金等耐热材料层，或使用掏空气门中央部位并充入钠（熔点98℃，沸点892℃）的中空钠气门。钠在高温下液化，在气门开闭运动时处于搅拌状态，以促进气门的散热。也有把冷却液在气门附近进行循环冷却的设计。

2.气缸

（1）气缸盖气缸盖直接与燃烧气体接触，温度很高，在排气门附近的缸盖温度在300℃以上。铝制缸盖比铸铁热传导率高，在全负荷运行条件下约大3倍，所以温度比铸铁材质低40～50℃，因此可以防止因未燃气体导致的爆燃的发生。另外，缸盖壁排气门座部位的热变形可能会导致发动机的损坏，因此在此附近设置冷却液通道是非常重要的。

图8-23 排气门温度

图8-24 因高温的排气门损伤

在气缸盖上安装有进气门、排气门、火花塞等，并在其内部设计有冷却液通道，因此其结构较复杂，温度分布也相当复杂。图8-25显示了在4气缸点燃式发动机气缸盖上多个位置测量的温度分布。温度最高的部位是进气门、排气门之间火花塞周边⑤、⑥和气缸之间⑦、⑧部位，这些部位的共同特征是冷却液难以接近。

图8-25 气缸盖温度分布（2000r/min、全负荷）

（2）气缸壁表面图8-26所示为直喷柴油机（1500r/min、p_m，e=11bar）气缸套的温度和平均热流。在图中为供给到气缸套的总热流（包括摩擦热），为高温气体提供到气缸套的热流。气缸套的上部因燃烧热量的侵入多，温度可以达到150℃，总热流约为300kW/m²，最高，越往下部位温度和通过气体的热流就会越低。虽然在图中没有显示，但活塞裙部的温度可以达到接近于冷却液温度的100℃左右。

气缸壁表面应考虑因活塞环与气缸套之间的摩擦热发生的热流。即，从图中可以看出，在总热流中通过摩擦发生的热流与气缸内通过气体的热流相比较不小。

活塞环刮出的润滑油膜的厚度在上止点附近处于最薄的状态，如果此部位的温度高，会造成润滑油的黏度下降，油膜会被破坏，并达到临界润滑状态。在此状态下气缸的磨损量会增大，为了使气缸壁表面的温度达到规定温度范围，会增加冷却负荷。

图8-26 气缸套的温度分布和热流分布

3.活塞

（1）活塞的温度分布对汽油机和柴油机活塞各部位的温度，可以利用有限元法技术进行计算，如图8-27所示。图中点为实际测量的温度，除了活塞裙部外，两者较一致。在活塞中心部头部外圆部分附近的温度最高达到250～320℃左右。在高负荷状态，汽油机和柴油机的差异就小。活塞因暴露在燃烧气体中，高热负荷导致的问题较多。燃烧气体向活塞传递的热量大部分通过活塞的第一道气环和裙部传递到气缸壁。因此，在活塞上离气缸壁较远的冠部中央附近的温度高，因而必须根据耐高温强度和气缸压力的大小决定材料的厚度。

图8-27 活塞的温度分布

活塞的散热部位大体分为4个部分，即活塞环部分、活塞销孔部分、冠部和裙部。这些部位的冷却热量可以通过详细的温度测量并计算获得，如图8-28所示。此图为以压缩比17，气缸内径×行程=125×110的直喷式柴油机为对象，在无负荷、全负荷运行条件下测量并计算。密封环的散热量占活塞吸收总热量的70%左右，说明大部分热量通过此部分进行传递。可以看出，活塞裙部的传热量约为5%，散热量最少。大型柴油机为了降低活塞冠部的高热负荷，在活塞冠部设置冷却通道进行冷却。这种方法具有大幅度减小活塞环接触面积的优点。

（2）活塞的膨胀和热应力活塞的温度分布为，上部的温度最高，依次为中部、裙部（下部）。因此，活塞膨胀时上部与下部（裙部）的活塞与气缸壁之间的间隙会不同。如果气缸为铁质，活塞为铝合金，因这些金属的膨胀系数不同，分别为（12～14）×10^-6/K、（22～26）×10^-6/K，为了随各种运行条件保持适当的间隙，如图8-29所示以气缸直径D为准，需要把活塞上部的直径做小，裙部的直径稍微做大，分别为D₁、D₂。设定在常温下的直径分别为D、D₁、D₂，各部分温度的上升分别为ΔT、ΔT₁、ΔT₂，气缸和活塞的膨胀系数分别为β₁和β₂，运行中需要的间隙为C时，为了在长度方向上的间隙保持一致，必须满足下述关系式。

图8-28 高速柴油机的全负荷和无负荷状态散热

图8-29 活塞尺寸

D₁+D₁β₂ΔT₁+C=D+Dβ₁ΔT

∴D₁=D-D₁β₂ΔT₁+Dβ₁ΔT-C

式中，看成D₁≈D也无大碍，因此有

D₁=D（1-β₂ΔT₁+β₁ΔT）-C （8.54）

D₂=D（1-β₂ΔT₂+β₁ΔT）-C

如果假设β₁=12×10^-6，β₂=22×10^-6，ΔT=90K，ΔT₁=330K，ΔT₂=125K，可以获得下述关系式。

D₁=0.9954D-C

D₂=0.9989D-C

其中，虽然C与活塞的直径有关，但高速发动机规定为0.2mm以下。另外，接触高温气体的金属部分会发生随温度的热应力，如直接暴露在高温燃烧气体中的活塞、排气门等，其表面会被高温加热膨胀，不仅受到压缩应力，其内部因温度低还会受到拉伸应力，且当发动机停止恢复到常温时还会受到重复应力，因此在疲劳应力作用下有时会发生龟裂等损坏。

燃烧室不同部位温度分析

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