发动机原理电子教案第一章.docx

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发动机原理电子教案第一章

“发动机原理”课程电子教案

一、课程的性质和任务

1、研究发动机的工作过程和性能指标，主要包括动力性、经济性、排放性等。

2、分析影响发动机性能指标的因素。

3、找出提高发动机性能指标的途径。

二、课程的地位和作用

本课程是一门专业课，为发动机的使用、维修打基础。

本课程在整个课程体系中起承上启下的作用，对今后的实际工作起指导作用。

三、课程主要内容

课程的主要内容分两大部分，《工程热力学基础知识》部分的重点是发动机的理想循环，《发动机原理》部分的重点是内燃机的燃烧过程和特性。

主要内容包括：

工程热力学基础、发动机示功图和性能指标、燃料和燃烧、发动机换气、汽油机混合气的形成与燃烧过程、柴油机混合气的形成与燃烧过程、发动机特性、发动机的排放与控制等。

四、课程的特点、要求、学时分配、考核

特点:

本课程理论性较强，无多少实物供参照，课堂上的讲授以理论分析和推导为主。

要求:

要求课上集中精力听讲，做好笔记，课下及时复习。

对重点章节要熟练掌握。

学时分配：

总学时48，其中实验8学时

考核：

本课程为考试课，平时10%；实验10%；考试80%。

五、教材

《汽车发动机原理》（第二版）陈培陵主编人民交通出版社2003

六、参考书

[1]《内燃机学》，周龙保主编，机械工业出版社出版，1999年；

[2]《车辆内燃机原理》（第一版）秦有方编北京理工大学出版社1997

[3]《汽车拖拉机发动机》（第三版）董敬编··机械工业出版社1999

[4]《汽车发动机原理》，张志沛主编，人民交通出版社出版，2003年

[5]《内燃机习题集》日]竹内龙三主编中国农业机械出版社1991年

[6]《内燃机燃烧与排放学》蒋德明主编西安交通大学出版社2001年

第一章工程热力学基础

了解：

热力系统、工质、功、热量、内能和熵等概念，理想气体和卡诺循环等。

理解：

热力学第一和第二定律，Ｐ－Ｖ图和Ｐ－Ｓ图，理想气体的热力过程和发动机的理想循环。

第一节气体的热力性质

一、热力系统

1、热力系统：

某一宏观尺寸范围内所要研究的对象的总称。

2、外界：

与系统有相互作用的以外物质。

3、热力系统的分类：

闭口系统：

与外界无质量交换的系统；

开口系统：

与外界有质量交换的系统；

绝热系统：

与外界无热量交换的系统；

孤立系统：

与外界即无质量交换，又无热量交换的系统。

二、工质状态及状态参数

1、工质：

用以实现热功转换的媒介物质。

2、工质热力状态：

工质在热力系统中某一瞬间所处的宏观状况。

3、工质状态参数：

用来描述工质状态的物理量。

4、基本状态参数：

能够测量并能代表工质基本特征的参数。

（1）压力（P）、

单位容积面积上的垂直力。

P=F/AN/m=Pa（帕斯卡）

工程气压：

1kg/cm2=98.1kPa

物理气压：

76cmHg=101.33kPa

绝对压力：

P—状态参数

表压力：

Pg

真空度：

Pν

大气压力：

P0

P=P0+PgP=P0-Pν

（2）温度（T）

表示物体的冷热程度。

开氏温标：

T单位K

水的三相点为单一固定点273、16K。

（冰点为273、15K）

摄氏温标：

t单位℃

T=t+273、15K

（3）比容（v）

单位质量的容积。

v=V/m（m3/kg）

三、理想气体的状态方程

1、理想气体：

气体分子本身不占有体积，分子之间无引力的气体。

1升气体有2.7×1022分子,挤在一起仅0.4cm3占0.04%

2、理想气体状态方程：

（1）1千克气体：

Pv=RT

R为为气体常数（Kj/kg·K）其大小与气体的种类有关

（2）m千克气体：

PV=mRTV=mν（体积）

（3）1千摩尔气体：

Pμv=μRT

PVm=RmT

Vm1千摩尔容积；μ为1千摩尔质量;Rm为通用气体常数,Rm=8.31kJ/kmol.K

3、压容图（P-V图）

（1）平衡状态：

当外界条件不变系统内状态长时间不变，即具有均匀一致的P、V、T。

（2）热力过程：

系统从一个平衡状态到另一个平衡状态的变化历程称为一个热力过程。

为便于分析，通常将气体的热力过程假设为准平衡过程，即从一个平衡状态经历了一连串的无限接近平衡状态的中间状态，到另一个平衡状态的变化历程。

（3）P-V图的意义

在P-V图上的一点表示气体的一个热力状态；一条曲线表示一个热力过程；（曲线下面所包围的面积表示功量）。

四、工质比热：

单位质量的工质温度变化1K所吸收或放出的热量。

用c表示。

C=δq/dt

1、比热与度量单位关系

质量比热C：

单位kJ/kgK

摩尔比热φckJ/kmol.K

容积比热C1kJ/m3K

2、比热与加热过程的关系

常见的加热过程是等压过程和等容过程

等压比热cp

等容比热cν

cp>cνcp-cν=R

比热比：

cp/cν=k（绝热指数）

3、比热与温度的关系

真实比热：

每一温度下的气体比热。

实验证明，多数气体的比热是随温度的升高而增大

平均比热：

Cm某一温度范围内的比热平均值（为使计算简便）

定比热：

实际中不考虑比热随温度的变化，即采用定比热。

第二节热力学第一定律

热力学第一定律是能量转换与守衡定律在热力系统中的应用。

热量===其它能量

在工程热力学中它表达工质吸热、作膨胀功和内能储存的三者关系。

一、功、热量和内能

（一）膨胀功

气体在热力过程中由于体积发生变化所做的功。

即系统与外界宏观位移而传递的能量

1千克气体功：

δw=Fdx=APdx=Pdν

w12=∫12Pdν

m千克气体功：

W12=mw=∫12mPdν=∫12PdV

在P-V图上，曲线下面所包围的面积。

规定：

系统对外界做功（膨胀功）为正，外界对系统做功（压缩功）为负。

功是过程量，不是状态参数。

（二）热量

系统与外界之间依靠温差来传递的能量形式，即系统与外界微观而传递的能量。

热量是过程量，不是状态参数。

q为1千克气体传递的热量kJ/kg

Q为千克气体传递的热量kJ

规定：

传入系统的热量即吸热为正；传出系统的热量即放热为负。

（三）内能

工质内部总能量

即工质内部粒子微观运动和粒子位移的总能量，它包括内动能和内位能。

内位能与分子间的距离、吸引力有关，是比容的函数；内动能包括移动动能、转动动能和振动动能，是温度的单值函数。

对于理想气体，不考虑分子间的位能，故内能只是分子的内动能，仅与温度有关，是温度的单值函数，即也是工质状态参数。

内能用u表示，单位kJ。

气体内能变量的计算

Δu=U2-U1

在等容过程中，加热量全部用于增加内能

qν=cν（T2-T1）=Δu

即Δu=cν（T2-T1）

因为内能是一状态量，与热力过程无关，故上述公式适用于任何热力过程。

二、闭口系统能量方程

内燃机的燃烧、作功过程可看作闭口系统。

进入系统的能量—离开系统的能量=系统内部储存能量的变化量

q-w=Δuq=Δu+w（1千克）

Q=ΔU+W（m千克）

对于微元过程δQ=dU+δW

以上各项均为代数值，可正可负，

三、开口系统的能量方程（略）

四、熵和温熵图（T-S图）

功和热量都是工质在状态变化过程中与外界进行能量交换的度量。

功是系统与外界之间存在压差ΔP而作功。

δw=Pdν（使dν变化）

dν>0，dw>0膨胀，系统对外界做功；

dν<0，dw<0压缩，外界对系统做功；

dν=0，dw=0系统与外界之间无功量传递。

功可用P、ν描述，P是推动力，ν改变标志有无作功，并用P-ν图表示。

热量是系统与外界之间存在温差ΔT而传热，T是推动力，相应有另一参数，它的改变标志有无传热，就是熵。

熵s增量等于系统在过程中交换热量除以传热时的绝对温度所得的商。

ds=δq/T

δq=Tds

ds>0，δq>0，吸热；

ds<0，δq<0，放热；

ds=0，δq=0，系统与外界之间无热量传递。

熵是一个状态参数。

熵的变量：

ΔS=∫12δq/T

参造P-ν图同样有类似T-S图

T-S图上一点表示状态，一条曲线表示过程，曲线下面积表示热量大小。

第三节理想气体的热力过程

一、定容过程

1、定义：

容积（比容）保持不变的过程。

2、过程方程式：

ν=常数

3、参数间的关系：

ν1=ν2

P1/P2=T1/T2（PV=RT）

4、参数变量：

Δu=cv（T2-T1）

ΔS=∫12δq/T=∫12cν

=cν

5、能量转换：

w=0q=qν=cν（T2-T1）

q=Δu+w=cν（T2-T1）

二、定压过程

1、定义：

压力保持不变的过程。

2、过程方程式：

P=常数

3、参数间的关系：

P1=P2

ν1/ν2=T1/T2MNJHUY76（PV=RT）

4、参数变量：

Δu=cv（T2-T1）

ΔS=∫12δq/T=∫12cp

=cp

5、能量转换：

q=qp=cp（T2-T1）

w=∫12Pdν=P（ν2-ν1）=R（T2-T1）

q=Δu+w=cv（T2-T1）+R（T2-T1）

=（cv+R）（T2-T1）

∴cp=（cv+R）

三、定温过程

1、定义：

温度保持不变的过程。

2、过程方程式：

T=常数

3、参数间的关系：

T1=T2

P1ν1=P2ν2

4、参数变量：

Δu=cv（T2-T1）=0

ΔS=∫12δq/T=1/T∫12δq

5、能量变换：

w=∫12Pdν=∫12RT/Vdν=RTLnv2/v1

q=Δu+w=w

四、绝热过程

1、定义：

系统与外界不存在热量交换。

2、过程方程式：

pvk=常数k为绝热指数。

3、参数间的关系：

P2/P1=（v1/v2）k

T2/T1=（v1/v2）k-1

T2/T1=（P2/P1））k-1/k

4、参数变量：

Δu=cv（T2-T1）

ΔS=∫12δq/T=0

5、能量变换：

q=0

q=Δu+w

w=-Δu=cv（T1-T2）

=cv（P1ν1/R-P2ν2/R）

=cv/cp-cv（P1ν1-P2ν2）

=R/k-1（T1-T2）

五、多变过程

实际热力过程中，P、ν、T的变化和热量的交换都存在，不能用上述某一特殊的热力过程来分析，需用一普遍的、更一般的过程即多变过程来描述。

1、过程方程式：

Pvn=常数n为多变指数。

n=0，P=常数，为等压过程；

n=1,Pv=常数，为等温过程；

n=k,Pvk=常数，为绝热过程；

n=∞,v=常数，为等容过程。

2、参数间的关系：

（参照多变过程）

3、参数变量：

Δu=cv（T2-T1）

ΔS=∫12δq/T

4、能量转换：

w=R/n-1（T1-T2）

q=Δu+w=n-k/n-1cv（T2-T1）

5、多变过程分析

（1）n不同，曲线位置和形状不同

n越大，曲线越陡。

沿顺时针n由-∞到0到+∞。

（2）n不同，对能量的变化影响不同。

n=k绝热线热量交换分界线，右方q>0；左方q<0。

n=1等温线内能变换分界线，右方Δu>0；左方Δu<0。

n=∞等容线功量变换分界线右方w>0；左方w<0。

第四节热力学第二定律

能量传递过程的方向、条件和限度问题，要由热力学第二定律来回答。

一、热力循环

系统从某一状态出发，经历一系列的中间状态，又回到初始状态，

1、正向循环（热机循环）

1-a-2-b-1：

顺时针进行的热力过程，过程曲线所围成的面积为正，称为正循环；

1-a-2工质从高温热源吸热q1而膨胀;

2-b-1工质向低温热源放热q2而压缩。

w0为循环净功，w0=q1-q2

2、热效率

循环净功与从高温热源吸收热量的比值

ηT=w/q1=（q1-q2）/q1=1-q2/q1

二、热力学第二定律的表述

1、从热功转换角度

不可能制成只从单热源吸热作功而不向冷源放热的热机。

即单热源热机是不存在的。

指出热转换是有条件的。

2、从热量传递角度

热不可能自发的、不付任何代价的由一个低温物体传至高温物体。

指出热量传递是有方向的。

热力学第二定律的实质：

一切自发的过程都是不可逆的。

三、卡诺循环与卡诺定理

（一）卡诺循环

1、卡诺循环的组成。

ab等温吸热q1=RT1Lnvb/vaq1=T1（s2-s1）

bc绝热膨胀T1→T2

cd等温放热q2=RT2LnvC/vdq2=T2（s2-s1）

da绝热压缩T2→T1

2、卡诺循环的热效率：

ηTc=1-q2/q1=1-T2Δs34/T1Δs12=1-T2/T1

3、结论分析：

（1）T1↑T2↓ηTc↑

（2）T1≠∞T2≠0ηTc<1

（3）T1≠T2ηTc≠0

（二）卡诺定理

在两个给定热源间的循环，以卡诺循环热效率最高（1-T2/T1），

第五节内燃机的理想循环

一、理想循环的假设条件：

1、整个循环为闭口，不考虑进气、排气过程工质数量的变化；

2、压缩、膨胀过程为绝热，不考虑传热、摩擦的损失；

3、燃烧过程为吸热，排气过程为放热，不考虑燃烧不完全的损失；

4、工质的比热为定值。

分析循环的主要目的是找出影响循环热效率的因素，找到提高热效率的途径。

二、内燃机的理想循环

1、车用柴油机的理想循环-混合加热循环

1-2绝热压缩

2-3等容加热

3-4等压加热

4-5绝热膨胀

5-1等容放热

由η=1-Q2/Q1，经过一些推导，得出：

ηt=1-

ε-压缩比，ε=V1/V2

λ-压力升高比，λ=P3/P2

ρ-预胀比，ρ=V4/V3

2、汽油机的理想循环——等容加热循环

1-2绝热压缩；

2-3等容加热；

3-4绝热膨胀；

4-1等容放热。

将ρ=1代入

得出混合加热循环ηt：

ηt=1-

3、低速柴油机理想循环-等压加热循环

1-2绝热压缩

2-3等压加热

3-4绝热膨胀

4-1等容放热

将λ=1代入混合加热循环ηT得出：

ηt=1-

三、理想循环的分析

（一）影响理想循环因素

1、ε的影响

由公式看出，ε↑ηT↑

由T-S图两种等容加热循环，

ε↑12—121使21提高

若q1相同，两循环面积相等

则3141较34左移

141＜14，

即q21＜q2ηT↑

2、K的影响

由公式看出，K↑ηT↑（混合气较稀）

3、λ的影响

（1）对定容加热循环，λ↑ηT不变

因为λ↑则Q1↑和都W↑。

（2）对混合加热循环，λ↑ηT↑

Q1不变，λ↑值增大（Q1v↑）则相对的减少了Q1p所占的比例，整个循环的热效率会增大。

4、ρ的影响

（1）对等压加热循环，ρ↑ηT↓。

（2）对混合加热循环，ρ↑ηT↓

（二）理想循环的比较

主要讨论在一定的条件下，哪种理想循环的热效率较高。

当Q1和ε相同时

ε相同，三种循环压缩线1-2重合

Q1相同，T-S图面积相等

但Q2等压＞Q2混合＞Q2等容

所以ηt等容>ηt混合>ηt等压

但在实际上，ε柴>>ε汽

ηt柴>>ηt汽

这个结论是符合实际的，汽油机，其热效率为30%，现代柴油机，其热效率为35%。

现代发动机一是要提高ε，二是要柴油机化。

压力常用U形管测量（图）

压力之间的关系

（教材图）

摩尔71年14

届国际计量大会

（P-V图）

（膨胀功图）

（T-S图）

定容过程

P-V图

T-S图

定压过程

P-V图

T-S图

定温过程

P-V图

T-S图

绝热过程

P-V图

T-S图

多变过程

P-V图

T-S图

正向循环

P-V图

T-S图

卡诺循环

P-V图

T-S图

混合加热循环

P-V图

T-S图

等容加热循环

P-V图

T-S图

等压加热循环

P-V图

T-S图

两种等容加热循环T-S图

λ和ρ对ηT的影响T-S图

Q1和ε相同三种循环的比较T-S图