《發(fā)動機原理》.ppt

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Speaker: Lin Ying,學(xué)院、系室：交通學(xué)院 交通工程系 專業(yè)、年級、班級：交通運輸08級（1）（2） 主講教師：丁 藝 教授,發(fā)動機原理,福建農(nóng)林大學(xué) 2010年08月,汽車是現(xiàn)代交通運輸?shù)闹饕ぞ咧弧Ｆ囘\輸具有機動、靈活、快速、換裝少、貨損少、效率高、效益高的特點。汽車與國民經(jīng)濟發(fā)展緊密相連、與人民日常生活密切相關(guān)。 汽車工業(yè)是機械電子工業(yè)的一個重要組成部分，也是一個綜合性的工業(yè)部門和技術(shù)密集行業(yè)。在一定程度上，一個國家的汽車工業(yè)代表了這個國家的工業(yè)發(fā)達水平。 發(fā)動機是汽車的心臟，汽車發(fā)動機原理是交通運輸（汽車運用工程）專業(yè)的必修課程。,概 述,汽車發(fā)動機原理以發(fā)動機性能為主要研究對象，把合理組織工作過程，提高整機性能作為主要內(nèi)容，通過分析各工作過程中影響性能指標的諸多因素，從中找到提高汽車發(fā)動機性能指標的一般規(guī)律。 本課程的任務(wù)是研究汽車發(fā)動機的工作過程及整機性能，使學(xué)生掌握發(fā)動機實際工作過程的分析方法及性能指標與各工作過程的內(nèi)在聯(lián)系；掌握性能實驗的基本方法以及數(shù)據(jù)處理與分析；了解影響整機性能的基本途徑，為從事汽車發(fā)動機的管理、使用、維護與修理提供理論基礎(chǔ)。,發(fā)動機：將某種形式的能量轉(zhuǎn)化為機械（Engine） 能的一種機器。,組件式GIS技術(shù),空間數(shù)據(jù)挖掘技術(shù),GIS與數(shù)據(jù)挖掘集成技術(shù),發(fā)動機（狹義）：主要制用于可移動的交通工具或 可移動的機械設(shè)備上的動力裝置。如航空發(fā)動機、 船舶、汽車、拖拉機 現(xiàn)代汽車發(fā)動機（Automotive Engine）多為往復(fù) 式的內(nèi)燃機。,內(nèi)燃機：將燃料在氣缸內(nèi)燃燒，使其熱能直接轉(zhuǎn)化為 機械能的機器。 往復(fù)活塞式發(fā)動機(Reciprocating Piston Engine) ：活 塞在氣缸中作往復(fù)運動的發(fā)動機。 蒸汽機和目前大多內(nèi)燃機都是往復(fù)活塞式發(fā)動機。 現(xiàn)代汽車發(fā)動機如果不加特別說明，一般都是往復(fù)活塞式發(fā)動機。 現(xiàn)代汽車用發(fā)動機的燃料有汽油、柴油、酒精和液化石油氣等。但目前廣泛使用的還是汽油和柴油。,該門課程主要內(nèi)容及安排,主要內(nèi)容：汽車發(fā)動機的實際工作過程與性能指標；燃燒熱化學(xué)與熱計算；換氣過程及燃燒過程的進行與使用因素的影響；發(fā)動機噪聲及排放污染的形成機理與防止措施；主要特性（負荷特性、速度特性、萬有特性）與制取方法及分析；車用發(fā)動機的廢棄渦輪增壓等。 基本要求： (1) 明確本課程的地位、性質(zhì)、任務(wù)及主要研究對象；了解目前國內(nèi)外研究水平及主要發(fā)展方向; (2) 重點掌握發(fā)動機實際循環(huán)及指示指標、有效指標、機械效率的定義、計算與分析；明確實際循環(huán)的各項損失及減少損失的的基本途徑;,(3) 明確換氣過程的進行；重點掌握充氣系數(shù)的概念及影響因素與 提高充氣系數(shù)的措施；了解進排氣管內(nèi)的動力效應(yīng); (4) 熟悉汽油機及柴油機的混合氣形成；掌握汽油機正常燃燒過程 的特點與分期及不正常燃燒現(xiàn)象與形成機理；掌握柴油機燃燒 過程的特點與分期；了解柴油不正常噴射發(fā)生的原因及消除措 施；明確使用因素對燃燒過程的影響; (5) 掌握發(fā)動機噪聲及排放污染形成機理、測定方法與防治措施； 明確使用因素對發(fā)動機噪聲及排氣中有害氣體濃度的影響。 (6) 明確發(fā)動機特性的定義、基本分析式及研究意義；重點掌握負 荷特性、速度特性、調(diào)速特性、萬有特性曲線的制取方法與分 析；掌握大氣修正方法。了解車用發(fā)動機的廢棄渦輪增壓技術(shù);,安排：課堂教學(xué)30學(xué)時，其中含作業(yè)講評、測驗1次。 課程成績評定：平時成績（作業(yè)、測驗）30%，期末 考試成績70%。,主要參考書,汽車發(fā)動機原理（徐兆坤主編） 清華大學(xué)出版社 汽車發(fā)動機原理（張志沛主編） 人民交通出版社 汽車發(fā)動機原理（陳培陵主編） 人民交通出版社 汽車拖拉機發(fā)動機（武漢工學(xué)院董敬、莊志） 中國農(nóng)業(yè)機械出版社 工程熱力學(xué)（龐麓鳴） 工程熱力學(xué)（曾丹玲） 工程熱力學(xué)（沈維道） 汽車構(gòu)造（各種版本）,發(fā)動機原理 2009-2010學(xué)年 第一學(xué)期,1-1 氣體的熱力性質(zhì),一、氣體的熱力狀態(tài)及其基本狀態(tài)參數(shù) 內(nèi)燃機：燃料在機器內(nèi)部燃燒的發(fā)動機（熱能機械能）。 內(nèi)燃機中，熱能向機械能的轉(zhuǎn)換是通過氣體狀態(tài)的變化來實現(xiàn)的。在氣缸中，氣體不斷經(jīng)歷壓縮、吸熱、膨脹、放熱等熱力過程，氣體的熱力狀態(tài)在不斷發(fā)生變化。 氣態(tài)工質(zhì)： 氣體遠離液態(tài)，不易液化的氣態(tài) 蒸氣剛由液態(tài)過渡過來或比較容易液化的氣態(tài) 內(nèi)燃機的工質(zhì)是氣體（包括空氣、燃氣和煙氣）。,(一) 氣體的熱力狀態(tài) 氣體在任何一個瞬刻的狀態(tài)就是它在該瞬刻所處的物 理條件。 (二) 狀態(tài)參數(shù) 標志氣體熱力狀態(tài)的物理量。每一個狀態(tài)參數(shù)都是從 某一方面來描寫氣體所處的狀態(tài)。 工程熱力學(xué)中常用 的狀態(tài)參數(shù)有6個：壓力P 比容V 溫度T 內(nèi)能U 熵S 焓H 基本狀態(tài)參數(shù) （可直接測量、應(yīng)用最多）,溫度T：Temperature 溫度表示氣體的冷熱程度。也就是氣體分子熱運動的強弱程度。與大量分子平均移動能的大小成正比。 其中： 比例系數(shù) m 分子的質(zhì)量 分子直線運動的均方根速度 是國際單位制SI中基本單位 溫度是用以確定一個系統(tǒng)是否與另一個系統(tǒng)處于熱平衡的一個熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)。,（3）朗肯溫標 = 1.8K （4）華氏溫標 = + 459.67,壓力P： 單位面積上所受的垂直作用力稱為壓力。 根據(jù)分子運動論，氣體的壓力是大量分子向容器壁面撞擊的平均結(jié)果。（統(tǒng)計量） 單位：在國際單位制（SI）中，壓力單位是“帕斯卡”，代號Pa（N/m2）成正比。 1KPa=103Pa 1MPa=106Pa (千帕) （兆帕） 在工程實際中，使用的壓力單位有“標準大氣壓”，代號atm； 及“巴”，代號bar；“工程大氣壓”， 代號at(kgf/cm2)。 1atm=101325 Pa=101.325 KPa 1bar=105 Pa 1個工程大氣壓1at(kgf/cm2)=98.067kPa,壓力的測量：氣體的壓力通常使用壓力計或真空計測量。 因為壓力計讀數(shù)是氣體的真實壓力與大氣壓力的差值，稱為“表 壓力”，用P表（Pg）表示。氣體的真實壓力稱“絕對壓力”，用P絕 （P）表示，大氣壓力用P0表示。 當(dāng)P絕P0時 P絕=P0+P表（P=P0+Pg） 當(dāng)P絕P0時 P絕=P0-P真（此時表壓力是真空度） 注：此時表壓力是負值，用真空度表示，代入上式時不隨負號，僅取其數(shù)值,大氣壓力因地而異，即同一絕對壓力的氣體，其表壓力也因地、因時而異，因此，只有絕對壓力才能作為狀態(tài)參數(shù)。,二、工質(zhì)及平衡態(tài)、熱力系、熱力過程 (一) 工質(zhì)及其平衡態(tài) 工質(zhì)： 工程熱力學(xué)中，把實現(xiàn)熱能與機械能相互轉(zhuǎn)換的工作物 質(zhì)稱為“工質(zhì)”。 內(nèi)燃機的工質(zhì)是：空氣和燃氣 。 空氣具有：好的流動性和膨脹性；（在相同溫差或壓差下， 其膨脹比最大，因而能夠更有效地做功） 氣體熱力性質(zhì)最簡單，可以簡化為理想氣體。,平衡態(tài)： 一個系統(tǒng)不受外界作用，系統(tǒng)內(nèi)部不發(fā)生狀態(tài)地任 何改變，則稱為該系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。所謂外界作用，即是與 外界的熱、功、質(zhì)的交換。 無不平衡力：力學(xué)平衡 系統(tǒng)平衡狀態(tài)條件： 無溫度梯度：熱平衡 無化學(xué)反應(yīng)：擴散或溶解過程，化學(xué) 平衡 無電位差：電平衡 即：當(dāng)一個系統(tǒng)內(nèi)的各部分的溫度和壓力處處相等，不隨時間而變化，它是 系統(tǒng)在沒有外界作用的情況下可以長久保持的狀態(tài)。這時系統(tǒng)各部分的狀態(tài)均勻一致，每一個狀態(tài)參數(shù)只有一個數(shù)值。,(二) 熱力系統(tǒng) 凡是人為劃定的熱力學(xué)研究對象叫“熱力學(xué)系統(tǒng)”，亦稱“熱力系”、“系統(tǒng)”。與系統(tǒng)相關(guān)的稱“外界”（與系統(tǒng)有相互作用的其它系統(tǒng)稱為外界）。 包圍系統(tǒng)的封閉表面就是系統(tǒng)與外界的分界面，稱為邊界（或界面）。邊界可以是真實的，也可以是假想的。 根據(jù)邊界上物質(zhì)和能量交換情況，熱力系統(tǒng)可分為： 開口系統(tǒng) open system ： 系統(tǒng)與外界不僅有功、熱的交換，而且也有物質(zhì)交換。（亦稱控制體積 control volume） 如：燃氣輪機 。 閉口系統(tǒng) closed system：系統(tǒng)與外界可以有功、熱的交換，但沒有物質(zhì)交換。（亦稱控制質(zhì)量 control mass） 如：氣缸。,孤立系統(tǒng) Isolated system：系統(tǒng)與外界不發(fā)生任何相互作用， 如物質(zhì)交換、熱和功的傳遞。 非孤立系統(tǒng)+相關(guān)的外界=孤立系統(tǒng) （這是一種處理方法，實 際不存在） 絕熱系統(tǒng)：系統(tǒng)與外界不進行熱交換的系統(tǒng)。 熱力系的選擇取決于研究目的和任務(wù)。,(三) 熱力過程、準靜態(tài)過程、可逆過程與不可逆過程 （1）熱力過程 系統(tǒng)在外界條件作用下，從某一狀態(tài)變化到另一狀態(tài)所經(jīng)歷的全部狀態(tài)的總和。（曾丹玲：“熱力系狀態(tài)連續(xù)變化的過程叫做熱力學(xué)過程） 熱力學(xué)系統(tǒng)在外界條件作用下，任何一個狀態(tài)參數(shù)發(fā)生變化時，這個系統(tǒng)的工質(zhì)從一個狀態(tài)經(jīng)過一系列的中間狀態(tài)變至另一個狀態(tài)，稱工質(zhì)經(jīng)歷了一個熱力過程。 循環(huán)：熱力系統(tǒng)初始狀態(tài)和終了狀態(tài)相同稱熱力系統(tǒng)經(jīng)過了一個循環(huán)（有正循環(huán)和逆循環(huán)）。 （2）準靜態(tài)過程（內(nèi)平衡過程） 在一個熱力過程中，必定在系統(tǒng)內(nèi)或系統(tǒng)與外界之間存在某種不平衡勢，使系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生變化，如果這種不平衡勢無限小，以致系統(tǒng)在任意時刻均無限接近于一個平衡態(tài)，這種的過程稱為準靜態(tài)過程。,引入準靜態(tài)過程的好處： 可以用狀態(tài)參數(shù)描述過程 可以用狀態(tài)方程進行必要的計算 可以在參數(shù)坐標圖上表示過程 可以計算過程中系統(tǒng)與外界的功、熱交換 （3）參數(shù)坐標圖上表示過程（只有準靜態(tài)過程才能在圖上表示出來，不平衡狀態(tài)由于沒有確定的熱力狀態(tài)參數(shù)，無法在圖上表示） 一個平衡態(tài)只有一組唯一的狀態(tài)參數(shù)，并且在（P、V、T）三個狀態(tài)參數(shù)之間存在內(nèi)在的聯(lián)系，三個狀態(tài)參數(shù)之間只有兩個是彼此獨立的。因此，用任意兩個參數(shù)就可以表明工質(zhì)所處的狀態(tài)。, 我們只要用任意兩個參數(shù)作為平面直角坐標圖的縱、橫坐標，構(gòu)成參數(shù)坐標圖，就可以清晰地表示工質(zhì)所處地?zé)崃顟B(tài)。圖示法具有直觀、簡明、便于分析等優(yōu)點。 如果非準靜態(tài)過程，在圖上只能用虛線表示它從一個平衡點開始到另一個平衡點經(jīng)歷的過程，無法確定其真實過程。,（4）可逆過程與不可逆過程（是carnot在17961832引出的） 一個熱力學(xué)系統(tǒng)沿某一過程曲線由狀態(tài)1變?yōu)闋顟B(tài)2后，若能沿著逆方向的同一曲線從狀態(tài)2回到狀態(tài)1，而不引起外界的變化，這個過程叫可逆過程。 或：一個熱力學(xué)系統(tǒng)經(jīng)歷一個過程，其結(jié)果是系統(tǒng)和外界的初態(tài)均可完全恢復(fù)而不留任何痕跡，此過程稱為可逆過程。 可逆過程：無摩擦、無溫差的平衡過程。 不可逆過程 ： 有壓差下的膨脹、有溫差的傳熱；自發(fā)過程（均衡過程）；伴有摩擦存在的過程（耗散過程） 摩擦 擴散 耗散效應(yīng) 滲透 溶解 渦流 準靜態(tài)過程可逆過程,共同點：無限緩慢、無限接近平衡態(tài) 。 差別：準靜態(tài)過程要求工質(zhì)內(nèi)部平衡，不排斥耗散效應(yīng)存 在；可逆過程要求工質(zhì)內(nèi)部平衡，內(nèi)外無耗散效應(yīng)。 簡單地說：可逆過程=準靜態(tài)過程+無任何耗散效應(yīng)。 系統(tǒng)在可逆過程中對外輸出的功量等于準靜功。因此，可以直接根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部的參數(shù)來計算它。這在工程計算上將帶來極大方便。 可逆過程是沒有任何損失的理想過程，實際的熱力過程既不可能是絕對的平衡過程，又不可避免地會有摩擦。因此，可逆過程是實際過程地理想極限。今后我們所討論的主要是可逆過程。,三、理想氣體狀態(tài)方程 Ideal gas equation of state 理想氣體是一種實際上不存在的假想氣體。這種氣體的分子是一些彈性的、不占體積的質(zhì)點，分子之間也沒有相互作用力。 引入理想氣體概念，主要是為了研究問題方便。因為，如果考慮了氣體的性質(zhì)非常復(fù)雜，狀態(tài)參數(shù)之間則是極其復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系，使研究問題復(fù)雜。 氣體的溫度愈高、壓力愈低時，氣體比容愈大，氣體離液態(tài)愈遠。氣體分子間的距離很大，與距離有關(guān)的分子之間的作用力就很小，分子本身體積相對氣體分子運動所占有的空間也顯得極為微小。這時，這些氣體就可以作為理想氣體處理。通常所見的氣體o2、N2、H2、co、co2及空氣等都作為理想氣體看待，誤差并不大，鍋爐中所產(chǎn)生的水蒸汽離液態(tài)較近，一般不能作為理想氣體處理。,另一方面，該式也說明了在一定狀態(tài)時，已知兩個獨立參數(shù)就可以確定氣體的狀態(tài)。若氣體得質(zhì)量為m千克，將上式兩邊同乘以m得： 式中： 為m千克氣體所占總?cè)莘e（米3） 阿伏加德羅定律指出，在同溫、同壓下，1摩爾的任何氣體所占的容積相同。 且由實驗測得，在標準狀態(tài)（壓力為1個標準大氣壓，即1.01325105帕（Pa），溫度為0（273.15K）時）時，摩爾容積為： =22.41410-3 米3/摩=22.414標準m3/kmol 因此，若采用摩爾質(zhì)量為度量氣體質(zhì)量的單位，則所有氣體的氣體常數(shù)相等了。,四、工質(zhì)的比熱 在工程中，熱量的計算常常利用比熱 比熱：單位量的物質(zhì)作單位溫度變化時所吸收或放出的熱量。 （在一個系統(tǒng)中，工質(zhì)單位溫升所吸收的熱量，即在溫度間隔 內(nèi)使氣體溫度升高1k時平均所需熱量，稱平均熱容量。） 平均熱容量： KJ/K 瞬時熱容量（真實熱容）： 單位熱容量（比熱）： （ ） 式中：C某工質(zhì)在某一狀態(tài)下的比熱 dq某工質(zhì)在某一狀態(tài)下溫度變化時所吸收或放出的熱量（KJ）,(一) 與工質(zhì)的性質(zhì)（種類）關(guān)系：不同的工質(zhì)比熱不同，可通過查有關(guān)表格得。 (二)比熱與單位關(guān)系：量度氣體質(zhì)量的單位可以是： kg、kmd、m3 質(zhì)量比熱： 摩爾比熱： 熱容比熱： 三者關(guān)系 （ ：摩爾質(zhì)量 ）,(三) 比熱與熱力過程關(guān)系 工質(zhì)的比熱與工質(zhì)從一狀態(tài)到另一狀態(tài)所經(jīng)歷的熱力過程有關(guān)。熱力工程中最常見的加熱過程是定壓過程和定容過程。,在一定溫度下，同一種氣體的 與 值彼此不等，且 ， 與 關(guān)系式可由第一定律解析式導(dǎo)出。,在一定溫度下，同一種氣體的 與 值彼此不等，且 ， 與 關(guān)系式可由第一定律解析式導(dǎo)出。,(四) 比熱與加熱時工質(zhì)的狀態(tài)關(guān)系(與溫度和壓力關(guān)系) 實驗證明：氣體的比熱是溫度、壓力的函數(shù)。,對于理想氣體，比熱僅是溫度的函數(shù)。(因理想氣體分子間沒有相互作用力，因而分子具有內(nèi)動能而不存在內(nèi)位能。因此，理想氣體的比熱僅是溫度函數(shù)，與壓力、比容無關(guān)。） 理想氣體： 理想氣體 與 的關(guān)系極為復(fù)雜，可近似表示為： （ ） 式中： 、 、 等系數(shù)均由實驗確定，與氣體種類有關(guān)。（常數(shù)）,如果以比熱為縱坐標，溫度為橫坐標，則得 的關(guān)系曲線。可見不同的溫度對應(yīng)不同的比熱。工質(zhì)在每一溫度下所對應(yīng)的比熱稱為工質(zhì)的“真實比熱”。,=面積1、2、 、 因比熱隨T不同而變化，使計算復(fù)雜，為使計算方便，取平均比熱 。 平均比熱：在一定溫差范圍內(nèi)單位量物質(zhì)所吸收或放出的熱量和溫度差之比值。 =面積1、2、 、 =面積ABCD = AC,矩形高AC表示在 至 范圍內(nèi)的平均比熱,= 工程上將平均比熱制成表，可直接查取。此表的溫度是從0 （因若 、 溫度都變化，使制表困難） 12 =面積OE2DO-面積C0E1C = = 又 ,(五)理想混合氣體及其比熱 內(nèi)燃機的工質(zhì)通常是由各種氣體組成的混合氣體，燃氣由CO2、O2、N2及少量SO2、H2o、CO等組成。在高溫時，燃氣內(nèi)部存在極復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，高溫分解，低溫還原，研究十分困難，但高溫時間極短，一般在1400以下時，分解、分離現(xiàn)象相對次要。所以，我們常將混合氣體視為理想氣體研究。（不存在化學(xué)反應(yīng)） 有關(guān)理想氣體的公式和定律對理想混合氣體也都適用。 ：理想混合氣體的平均摩爾質(zhì)量 ：理想混合氣體的平均摩爾質(zhì)量,式中： 組成氣體的質(zhì)量 組成氣體的摩爾數(shù) 理想混合氣體的比熱：其比熱取決于各組成氣體的比熱和其相對成分。 第種組成氣體的相對重量成分 （ ）,1-2 熱力學(xué)第一定律,一、幾個基本概念 1、功 work,平常工程熱力學(xué)說的簡單系統(tǒng)只有一種形式的功膨脹功（亦稱容積功）。 容積功：作用在系統(tǒng)邊界的力使系統(tǒng)邊界發(fā)生位移，并使容積發(fā)生變化而作功。 設(shè)一千克工質(zhì)在氣缸中進行膨脹，經(jīng)歷一個可逆過程 是可逆過程 式中： 活塞移動 時工質(zhì)作的微量功 膨脹過程中工質(zhì)在某瞬間的壓力,整個過程1-2中所作的功應(yīng)為 m千克工質(zhì)所作的功，則為 （ ）,以上兩式為工質(zhì)在可逆過程中對外界（包括活塞）所作膨脹功的數(shù)學(xué)表達式，如已知在狀態(tài)變化過程中 與 的變化規(guī)律，即過程方程式 ，即可求得功量。 工質(zhì)在可逆過程中所作得功可以用 圖上過程曲線下的面積表示。所以，壓容圖亦稱示功圖。,從示功圖可知，膨脹功的數(shù)值不僅決定于工質(zhì)初態(tài)和終態(tài)，而且 和過程經(jīng)過的途徑有關(guān)，即與過程的性質(zhì)有關(guān)。所以，膨脹功不 是狀態(tài)參數(shù)，而是過程的函數(shù)。 規(guī)定：膨脹功為正，壓縮功為負,2、熱量、熵 熱量（hert） ：依靠溫差而傳遞的能量稱為傳熱量或稱熱量。 功與熱的比較 規(guī)定：系統(tǒng)吸收熱量為正，放熱為負,熵和溫熵圖（示熱圖）,m千克工質(zhì) （ 可逆） 1千克工質(zhì) （如不可逆 ） 做功推動力 傳熱推動力 這用完全形式邏輯對比引出，但這不是很好的說明，只是為了加深記憶,二、熱力學(xué)第一定律 熱力學(xué)第一定律是能量轉(zhuǎn)換和守恒定律在熱力學(xué)上的應(yīng)用。能量轉(zhuǎn)換定律（The Lew of Conservation Energy）是1843年英國業(yè)余物理學(xué)家Joule通過大量實驗找出熱功當(dāng)量，實際上是德國一個醫(yī)生Mayer在1842年已發(fā)現(xiàn)，但他的論文未被采納。 能量轉(zhuǎn)換及守恒定律：自然界一切物質(zhì)都具有能量，能量有各種不同的形式，它能夠從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式，在轉(zhuǎn)換中能量保持不變。 熱力學(xué)第一定律：“在任何發(fā)生能量轉(zhuǎn)換的熱力過程中，轉(zhuǎn)換前后的總能量維持恒定?！?或：“第一類永動機是不可能造成?！?或：“熱能可以轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，機械能也可以轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，一定量的熱能可以轉(zhuǎn)化為數(shù)量相當(dāng)?shù)臋C械能，一定量的機械能也可以轉(zhuǎn)化為數(shù)量相當(dāng)?shù)臒崮??！?國際單位制規(guī)定功 、熱 的單位均使用“焦耳”（ ），這時 如果單位不同： 則： 或 式中： 功的熱當(dāng)量 熱的功當(dāng)量,五、閉口系統(tǒng)能量平衡方程 以氣缸中定量工質(zhì)為例：工質(zhì)與外界并無質(zhì)量的交換，只有能量的傳遞（傳熱與作功），這就是前面介紹的封閉熱力系或定質(zhì)量熱力系（閉口系統(tǒng)）。 工質(zhì)從外界吸收熱量Q，從狀態(tài)1變到狀態(tài)2（膨脹），并對外界作膨脹功W，由于討論是閉口系統(tǒng)，不存在工質(zhì)流進流出的問題，所以 和 可不予考慮。則在此過程中工質(zhì)儲存能量的變化為： 熱力學(xué)第一定律解析式：,以上三式僅從熱一律原則直接推導(dǎo)得，沒有附加條件，因此可適用于任何工質(zhì)、任何過程（可逆和不可逆的一切變化過程） 若工質(zhì)經(jīng)歷的是可逆過程，則上式可寫成：,穩(wěn)定流動能量平衡方程 現(xiàn)分析 千克工質(zhì)流經(jīng)開口系統(tǒng)時能量變化關(guān)系。 流入熱力系時帶入的能量為： 式中： 工質(zhì)流出熱力系時帶出的能量：,熱力系儲存能量的變化為： 此外，系統(tǒng)在過程中從外界吸熱Q，并對外輸出軸功（控制體積功，除了軸功外，還可能有容積變形、膨脹功、拉伸功、電磁功等，在此假定除外，其余沒有）。 為使截面前的 千克工質(zhì)流入熱力系，外界必須用力 ，克服阻力把它推入熱力系，此時外界對工質(zhì)作功 焦。同理， 千克工質(zhì)由熱力系截面流出時，也必須克服外界阻力 ，對外界作功 焦。上述 乃是千 克工質(zhì)在流動時所作的功，稱為流動功（或推動功、壓縮功、壓力勢能）, 將 、 、 代入能量平衡方程,焓： 焦 對一千克工質(zhì)： 焦/千克 可見：由狀態(tài)參數(shù) 、 、 決定的焓也是狀態(tài)參數(shù)，在狀態(tài)變化過程中，焓變量為： 對于開口流動體系來說，焓是 內(nèi)能+推進功 對于閉口系統(tǒng)沒有更多物理意義，只是一個狀態(tài)參數(shù)，,引用焓，在閉口系統(tǒng)有時很方便，如：一個閉口系統(tǒng)，定壓膨脹，可逆過程： 可見：在閉口系統(tǒng)定壓過程，系統(tǒng)所吸收的熱量等于系統(tǒng)焓的增量。,技術(shù)功 ： 若工質(zhì)流進、流出熱力系的動能和位能的變化量很小，可略去不計,則 ： 工質(zhì)流經(jīng)熱力設(shè)備時所作的技術(shù)功應(yīng)等于膨脹功和推動功的代數(shù)和 ,也可由第一解析式直接轉(zhuǎn)化而得 = 或： （復(fù)合狀態(tài)參數(shù)） ,定壓過程（焓的推導(dǎo)） 所以：理想氣體無論經(jīng)歷什么過程，其內(nèi)能變化在數(shù)值上總等于定容過程的加熱量。 焓的變量在數(shù)值上總等于定壓過程的加熱量。,熵的計算 若 為定值，則： 或： ,若 為定值，則： 熵 從狀態(tài)1變化到狀態(tài)2，只與初態(tài)1和終態(tài)2有關(guān)， 與過程無關(guān)，所以， 也是狀態(tài)參數(shù)。,熵的變量 （ 為定值） 在 圖上，定容過程曲線為一條對數(shù)曲線。,二、等壓過程 定壓過程比容與溫度成正比 膨脹功 熱量 或,熵的變量,三、定溫過程 定溫過程氣體絕熱壓力與比容成反比 膨脹功 熱量 ,單原子氣體 =1.67 雙原子氣體 =1.4 三（多）原子氣體 =1.3 從 得,熱量 熵的變量 功 閉口系統(tǒng)：膨脹功 可見：絕熱過程中工質(zhì)對外作膨脹功時消耗工質(zhì)的內(nèi)能。 ,四、多變過程 定義：壓力、比容的關(guān)系符合 的過程（ ） 多變指數(shù) 這是一般化公式多變過程方程式 當(dāng) 則 定壓過程 則 定溫過程 則 絕熱過程 則 定容過程 可見：當(dāng) 為某一定值時， 就代表一個特定過程，此式可將許多有規(guī)律的熱力過程包括在內(nèi)，具有相當(dāng)?shù)钠毡樾?，討論多變過程得到的結(jié)論，對其他特殊過程具有原則性指導(dǎo)意義。,由于多變過程方程式的數(shù)學(xué)形式與絕熱過程相同，因此多變過程中的初、終態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系，以及求膨脹功（技術(shù)功）的公式，在形式上均與絕熱過程的公式完全相同，只是以代替各式中的值。 膨脹功 技術(shù)功 多變過程中氣體的技術(shù)功 等于閉口系統(tǒng)中同量氣體膨脹功的 倍,熵的變量 或,在 、 圖上的表示,1-4 熱力學(xué)第二定律,一、熱力學(xué)第二定律的幾種表述 熱力學(xué)第二定律是人們根據(jù)無數(shù)經(jīng)驗總結(jié)出來的有關(guān)熱現(xiàn)象的第二個經(jīng)驗定律，并被大量經(jīng)驗和事實說明它的正確性。熱力學(xué)第二定律的實質(zhì)就是指出一切過程的不可逆性。 第一種說法：克勞修斯說法（1950年），“不可能把熱從低溫物 體傳至高溫物體，而不引起其它變化。”即“熱不可能自動（自發(fā)）地、不付代價地從低溫物體傳至高溫物體?！?第二種說法：開爾文說法（1951年），“不可能從單一熱源取熱使之完全變?yōu)橛杏霉Χ划a(chǎn)生其它影響?！奔础爸焕鋮s一個熱源而連續(xù)不斷作功的循環(huán)發(fā)動機是造不成功的?！?卡諾循環(huán)及其熱效率 熱力學(xué)第二定律指出，第二類永動機是不可能造成的，也就是說，任何熱機都不可能將吸取的熱量循環(huán)不息地全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣?。那么在一定條件下（高溫恒溫?zé)嵩春偷蜏睾銣責(zé)嵩匆欢〞r），循環(huán)中吸取的熱量最多能轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗌俟?？即是說，提高循環(huán)中熱變功的效率的基本途徑是什么？卡諾循環(huán)和卡諾定理回答了這些問題。,問 題,由可逆過程組成的循環(huán)稱為可逆循環(huán)。熱機循環(huán)的經(jīng)濟性是以熱效率來衡量的。,據(jù)熱力學(xué)第一定律： 卡諾循環(huán)熱效率,由卡諾循環(huán)的熱效率公式可以得出： 1、卡諾循環(huán)的熱效率決定于高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩吹臏囟?，也就是工質(zhì)在定溫吸熱和定溫放熱時的溫度。（ 取決于 、 ）。,卡諾定理 “在兩個不同溫度的恒溫?zé)嵩撮g工作的所有熱機，沒有其他熱機的熱效率能比卡諾熱機的熱效率更高。”,發(fā)動機原理 2009-2010學(xué)年 第一學(xué)期,2、壓縮 線 進氣門、排氣門均關(guān)，活塞從下止點向上止點運行，提高工質(zhì) 、P.(工質(zhì)受壓縮的程度用 表示。) （610 ） 8002000 600750,4、排氣 線 進氣門關(guān)、排氣門開、活塞從下止點 上止點。排出廢氣、為下一循環(huán)作準備。 ：9001100 ：1.051.15 從實際循環(huán)分析可知： 實際循環(huán)情況復(fù)雜，研究也十分困難 工質(zhì)對活塞作功為正，活塞對工質(zhì)作功為負,為研究方便，將內(nèi)燃機實際工作過程抽象簡化。,2-2 理論循環(huán),由于12及34為定熵過程，則,二、定壓加熱循環(huán) 1、定壓加熱循環(huán)熱效率 由于 令 預(yù)脹比（定壓預(yù)脹比）, 將以上各式代入 公式得：,2、混合加熱循環(huán)平均壓力 （ ） 將 、 、 代入式子得：,由此可知： 一定的機器，其 不一定 實際機器最好是：燃燒放熱宜占曲軸轉(zhuǎn)角小，平均接近上止點 注：有些書用“等容度“來衡量在等容加熱的程度 “等容度”：等容過程所占的程度。,第三章,3-1 指示指標,3-2 有效指標,3-3 機械損失,發(fā)動機性能指標,發(fā)動機（主要指汽、柴機）性能指標有動力性和經(jīng)濟性。此外，上世紀70年代以來，還考慮了噪音、排氣煙度和排氣成分等指標。 “發(fā)動機原理“是以性能指標為研究對象，深入到工作過程的各個階段，分析影響性能指標的各種因素，從中找出提高性能指標的一般規(guī)律。 但衡量發(fā)動機的質(zhì)量，還要考慮它的可靠性、耐久性及結(jié)構(gòu)工藝性、操縱維修、成本核算等各個方面。所以，在研究提高性能指標的同時，必須根據(jù)使用特點，生產(chǎn)條件等實際情況，把要求合理的統(tǒng)一起來。 發(fā)動機性能指標有兩種：一種是以工質(zhì)對活塞作功為基礎(chǔ)的指標指示指標。它們用來評定工作循環(huán)進行的好壞。另一類是以曲軸輸出功率為基礎(chǔ)的性能指標有效指標。它們用來評定整個發(fā)動機性能的好壞。,發(fā)動機性能指標,3-1 指示指標,一、循環(huán)指示功 和平均指示壓力 (indicated),發(fā)動機性能指標,發(fā)動機性能指標,高，則同樣大小的氣缸工作容積發(fā)生的指示功愈多，氣缸工作容積的利用程度愈佳，它排除了工作容積影響。（上世紀70年代后，都在尋求高的平均指示壓力）可以比較不同大小，不同型式發(fā)動機的性能。,發(fā)動機性能指標,發(fā)動機性能指標,三、指示燃油消耗率 和指示熱效率 工質(zhì)每作1 的指示功所消耗的燃料量稱為指示燃油消耗率（指示耗油率）。 ：工質(zhì)完成的指示功與所消耗的燃料熱量之比。,發(fā)動機性能指標,發(fā)動機性能指標,3-2 有效指標,發(fā)動機性能指標,發(fā)動機性能指標,發(fā)動機性能指標,發(fā)動機性能指標,發(fā)動機性能指標,發(fā)動機性能指標,2、比質(zhì)量 ：發(fā)動機質(zhì)量 與所發(fā)出標定功率 之比 發(fā)動機質(zhì)量，指未加水、油， 不包括散熱器、排氣管、空濾器、 消音器、儀表等附件時發(fā)動機質(zhì)量 說明金屬材料在發(fā)動機中利用程度。,發(fā)動機性能指標,發(fā)動機性能指標,3-3 機械損失,發(fā)動機性能指標,換氣過程：發(fā)動機的排氣過程和進氣過程的總和稱之。 發(fā)動機氣缸內(nèi)充氣量的多少是決定發(fā)動機動力性能的主要因素。 因發(fā)動機是利用燃料在氣缸內(nèi)燃燒所放出的熱能使工質(zhì)壓力提高而對活塞作功的。 燃料燃燒熱量的放出，依賴于燃料和空氣中氧氣，要使 、 、 ，就需要燃料在氣缸內(nèi)燃燒時放熱多，這就依賴于氣缸中所能充填 進去的燃料量，也依賴于充填進去的空氣量。 液體燃料發(fā)動機，其燃料占體積極小，所以從燃料量來看，可以使燃料多到保證將氣缸內(nèi)的氧氣完全利用的程度，而并不會對氣缸內(nèi)的充氣量有明顯的影響。可是由于空氣占體積大，所以從而使得發(fā)動機氣缸中燃燒所能放出熱量的多少，主要是限于能夠充入氣缸的空氣量的多少。 液體燃料與空氣比例： 重量比 115 體積比 110000,另外，燃料是強制進入，由化油器或噴油泵多供一些燃料容易作到，而更多的充入（吸入）空氣卻較困難。因此，氣缸中燃燒放出熱量的大小，就取決于充入氣缸空氣量的多少，如果每循環(huán)進入氣缸的空氣量多，就可以多供一些燃料，使燃燒放出的熱量增加，從而提高發(fā)動機的功率和扭矩。 所以，發(fā)動機氣缸內(nèi)充氣量的多少，是決定發(fā)動機動力性能的主要因素，我們研究換氣過程的目的，就在于了解換氣過程進行的情況，分析影響充氣量的因素，從而設(shè)法使對氣缸大小一定的發(fā)動機充氣量盡可能提高。,泵氣損失 + - 即示功圖中的下環(huán)面積。 和 在計算時，已考慮進去了，實際示功圖中進排氣過程負功為 + - 。 平均泵氣損失壓力 ， 一般在0.150.3 左右，作為功的損失并不很大，但時 ，對提高充氣性能是很重要的。,實際進氣量： 差別不大,據(jù)： 一般指油門全開時的充氣系數(shù)。,因此，就一定的轉(zhuǎn)速而言，可以配合進氣管長度，使發(fā)動機功率提高。（可變進氣支管） 排氣管壓力波動 同樣道理，排氣管中的氣體壓力波動也是可以利用，如在排氣門關(guān)閉之前，排氣管中正好有膨脹波到達，使排氣門處壓力降低，能幫助燃燒室掃氣，使廢氣排除干凈，利于 。 進排氣管的壓力波動，在單缸機轉(zhuǎn)速變化小時好用，在多缸機上由于各缸進排氣管與總管相連，易互相干擾，利用很困難。,第五章,5-1 燃料及主要性能,5-2 汽油機的燃燒過程,5-3 燃油機的燃燒過程,發(fā)動機的燃燒過程,5-1 燃料及主要性能,燃燒過程是將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿倪^程，燃燒過程好壞，關(guān)系到能量轉(zhuǎn)換的效率的高低，從而直接影響發(fā)動機的性能指標。 發(fā)動機實際燃燒過程的進展情況十分復(fù)雜，牽涉面很廣，影響因素多。 對燃燒過程的基本要求：,二、汽油的抗爆性 汽油機產(chǎn)生爆 震燃燒與很多因素有關(guān)，但在一定結(jié)構(gòu)和使 用工況下，主要取決于燃料的性能。 汽油的抗爆性：汽油對發(fā)動機發(fā)生爆燃的抵抗稱之，抗爆性 好，可以承受高的壓縮比，從而改善發(fā)動機的性能。 燃料抗爆性與其化學(xué)組成有關(guān)，烷烴的抗爆性最差，烯烴次 之，環(huán)烷烴較好，芳香烴最好，在同一種烴內(nèi)，輕餾分優(yōu)于重餾 分，異構(gòu)體優(yōu)于正構(gòu)體。 汽油的抗爆性指標和測定 評定汽油抗爆性指標：辛烷值 汽油抗爆性取決于各種烴類的含量，而含抗爆性高的烴類多 的汽油其抗爆性高，否則就低。,由于各種烴的抗爆性不同，所以汽油的抗爆性很難用同一個理 化指標表示，目前廣泛采用與標準燃料在特定條件下實驗的比較方 法，確定燃料的抗爆性。 兩種標準液 異辛烷：抗爆性很高，定為100 正庚烷：抗爆性很低，定為0 按不同容積比混合得到各種不同抗爆性的標準燃料，其中異辛 烷的百分數(shù)即為該標準液的辛烷值。 測定方法 有 研究法辛烷值（東歐及美、英）RON 馬達法辛烷值（我國SYB2106-59）NON,五、燃料的熱值 1kg燃料完全燃燒時，所產(chǎn)生的熱量。單位（ ）或（ ） 1、高熱值：燃料的熱值中包括水的汽化潛熱在內(nèi)的熱值（包括燃料中H燃燒后生成水蒸汽冷凝放出的潛熱）。 2、低熱值：高熱值中減去水的汽化潛熱的熱值，在發(fā)動機工作中，排氣溫度高，水的汽化潛熱不能利用，故采用低熱值作為燃料熱值來計算。 汽油低熱值約10500 （44000 ） 柴油低熱值約10000 （42500 ）,當(dāng) 值變濃或稀，有抑制爆燃作用，但濃一些混合氣使發(fā)動機燃料消耗增加，用稀混合氣則功率有所降低。 =1.051.15 經(jīng)濟混合氣， 低。,3、氣缸的尺寸 缸徑太大，易引起爆燃。 大，燃燒室尺寸也相應(yīng)大，使火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x長。同時燃燒室面積比值下降，冷卻效果差，使得爆燃傾向上升，所以沒有缸徑很大的汽油機。一般車用汽油機 100mm。 （采運機械上 ） 小結(jié)： 著火落后期（化學(xué)準備） 1、汽油機燃燒分三期 火焰?zhèn)鞑テ冢ㄖ匾凇⒁髸r間短） 補燃期（要求 ） 2、希望期 ，最大壓力希望在上止點附近（上止點后一點）太前：有用功消耗多；太后：有用功減少。,（三）緩燃期 從 出現(xiàn)到 的階段， 一般在上止點后2025。 燃料仍在繼續(xù)噴射，此期內(nèi)仍有大量燃料燃燒，由于此時，氣缸內(nèi)容積是在不斷增大的情況下進行的，故壓力略有下降，其溫度升高到最高值， =17002000左右。隨著燃燒進行，廢氣增多，氧和燃油濃度下降，燃燒變得不利，逐漸緩慢。 緩燃期一般噴油已結(jié)束，到緩燃期終了，放熱量達循環(huán)放熱量的7080%。 （四）補燃期 后 結(jié)束點難確定，一般認為放熱量達9597%，即可認為補燃期結(jié)束。 柴油機中，由于燃燒時間短，混合又不均勻，總有一些燃料不能及時燃燒，拖到膨脹過程進行。,此期：缸內(nèi)壓力下降 ，氣流運動減慢 ，廢氣量增多（故燃燒條件極差，形成碳煙可能性大），且補燃期是在膨脹中進行，有效功下降，相反使零件熱負荷增大，排氣溫度提高，冷卻損失增大（動力性和經(jīng)濟性下降）。因此，希望補燃期短（即加強氣流運動，改善混合氣形成，使之充分混合，減少緩燃期噴油量，使燃燒在上止點附近完成）。 根據(jù)上述對柴油機燃燒過程的分析，可以知道： 1、為了保證柴油機工作可靠（尤其是冷起動的可靠性），應(yīng)該保證燃料有很好的發(fā)火性。 2、為使柴油機工作柔和，燃燒噪音小，壽命長，速燃期的壓力升高率和最高燃燒壓力不超過一定限度，應(yīng)盡可能縮短發(fā)火延遲期，減少在發(fā)火延遲期內(nèi)形成的作好燃燒準備的混合氣量。 3、為使燃燒完全、及時，提高動力性和經(jīng)濟性，減少排氣冒煙，應(yīng)改善和加速緩燃期中燃料與空氣的混合，提高后期的燃燒速率，減少補燃。,第六章,6-1 汽油機的特性,6-2 柴油機的特性,6-3 發(fā)動機的萬有特性,發(fā)動機的特性,發(fā)動機的特性,發(fā)動機的特性,6-1 汽油機的特性,隨 變化如前； ： 提高， 增加，而 下降，由于 ，故 隨 的提高而下降。 在某一中間 時， 乘積最大，即 最大，其 達最小，其它轉(zhuǎn)速時， 都有所上升。,小客車，對車速（最高）要求高，需增大高速時的扭矩以提高其超車能力，且它的后備功率較大，低速時已有良好的加速性能。因此不強調(diào)扭矩儲備，應(yīng)選用最大扭矩出現(xiàn)在較高 下的扭矩特性。 4、發(fā)動機的工作范圍 一般應(yīng)在最大功率轉(zhuǎn)速 與最大扭矩轉(zhuǎn)速 之間。 當(dāng)工作轉(zhuǎn)速 時，經(jīng)濟性、動力性、可靠性大大變壞，不能使用。當(dāng) 時，發(fā)動機工作不穩(wěn)定，也不能使用。,（三）部分速度特性 汽車大部分在部分負荷下工作（即節(jié)氣門部分開），隨節(jié)氣門關(guān)小，節(jié)流損失增大，進氣終了壓力 下降，從而引起 降低，且 隨上升， 下降更快。 所以節(jié)氣門開度減小， 隨 轉(zhuǎn)速 提高而下降更快，而且最 大扭矩點以及最大功率點均向低 速方向移動。,發(fā)動機的特性,二、汽油機的負荷特性 在點火提前角和化油器調(diào)整完好，發(fā)動機轉(zhuǎn)速 不變時，改變節(jié)氣門開度（改變負荷）， （每小時耗油量）和 （耗油率）隨負荷變化的關(guān)系。 汽油機的負荷調(diào)節(jié)是改變節(jié)氣門的開度，直接改變進入氣缸的混合氣量，故稱之為“量調(diào)節(jié)”。 在 一定時，隨節(jié)氣門開度增加（即負荷增加）其 、 、均提高，故可用 、 、 其中任一個來表示負荷的變化。,發(fā)動機負荷特性可以表示不同負荷下的經(jīng)濟性，由負荷特性可以看出： 的最低值 愈小，經(jīng)濟性愈好，同時在負荷減小時， 曲線上升愈緩慢愈好，這樣就表示在負荷變化較廣的范圍內(nèi)能保持較好的經(jīng)濟性，這對于負荷變化很大的汽車、拖拉機發(fā)動機尤為重要。 根據(jù)負荷特性，汽車在低負荷下工作是不經(jīng)濟的，而且負荷愈小愈不經(jīng)濟，因此，合理選擇發(fā)動機的功率大小，使它在工作時經(jīng)常處于負荷較高的狀況，