工程热力学课件

汽车发动机原理 课程概述一、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40考核：本课程为考试课，平时20%；考试80%。参考书：1.《汽车发动机原理》徐兆坤主编清华大学出版社2.《汽车发动机拖拉机》（第3版）董敬等主编机械工业出版社 第一章工程热力学基础本章要求：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T－Ｓ图，理想气体的热力过程和发动机的理想循环。 第一节气体的状态及状态方程一、热力系统1、在热力学中，从若干个物体中规划出所要研究的对象，称为热力系统；热力系外界界面2、工质：在热力设备中用来实现热能与其它形式的能量交换的物质。※热力设备通过工质状态的变化实现与外界的能量交换。研究对象以外的一切物质，称为外界；热力系统和外界的分界面，称为界面。 二、热力状态与状态参数1、热力状态：热力系统在某一瞬间所呈现的宏观物理状况。热力平衡状态：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、状态参数：用来描述气体热力状态的物理量基本状态参数：可直接测量的状态参数，包括：压力(P)、比容(ν)、温度(T)。主要状态参数：压力P、比容ν、温度T、内能Ｕ、熵Ｓ、焓Ｈ。 基本状态参数：1、比容：用ν表示，单位是m3/kg。定义：单位质量的物质所占的容积。即：ν=V/MV--物质的容积,[m3];M--物质的质量，[kg]。比容的倒数是？2、压力：用P表示，单位是Pa，Mpa、kPa。定义：系统单位面积上受到的垂直作用力。即：P=F/A3、温度：用T表示，单位是K。定义：表征物体的冷热程度（Ｔ↑气体分子的平均动能越大） 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，分子之间无相互作用力的气体。2、理想气体的状态方程：Pν=RTPV=mRTV=mν对空气，R=0.287kJ/kg·K3、压容图气体的状态也可用P-V图上的一个点表示，比较直观。 第二节热力过程及过程量功：dW=Fdx=APdx=PdVW=∫PdV※故P-V图上,W为过程线与横轴围成的面积。一、热力过程热力系统从一个平衡状态到另一个平衡状态的变化历程。P-V图上,一个点表示气体的一个热力状态;一条曲线表示一个热力过程。二、膨胀功Ｗ（Ｊ）气体在热力过程中由于体积发生变化所做的功（又称为容积功） 规定：热力系统对外界做功为正，外界对热力系统做功为负。由δW=PdV得：dV>0，膨胀,δW>0，系统对外界做功；dV<0，压缩,δW<0，外界对系统做功；dV=0，δW=0，系统与外界之间无功量传递。膨胀,W>0压缩,W<0 三、热量是系统与外界之间依靠温差来传递的能量形式，用Q表示q=Q/mJ/kg规定：传入热力系统的热量为正值，即吸热为正；传出热力系统的热量为负值，即放热为负。※热量与功一样，是系统在热力过程中与外界传递的能量形式，因此是过程量，不是状态参数。 四.熵和温熵图熵S的增量等于系统在过程中交换热量除以传热时绝对温度所得的商ds=δq/T1Kg工质的熵的单位J/kgKmKg工质熵的单位Ｊ/K※比容ν的变化量标志着有无做功，熵s的变化量标志着有无传热。熵s是一个状态参数ds>0,Q>0,吸热;ds<0,Q<0,放热;ds=0,无热量交换.吸热,Q>0放热Q<0 一、热力学第一定律表述为：当热能与其它形式的能量相互转换时，能的总量保持不变。对于一个热力系统：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※热力学第一定律是能量转换与守恒定律在热力学上的具体应用，它阐明了热能和其它形式的能量在转换过程中的守恒关系。它表达工质在受热作功过程中，热量、作功和内能三者之间的平衡关系。第三节热力学第一定律 二、内能-工质内部所具有的各种能量总称宏观能量包括：微观能量即系统的内能，包括：宏观能量微观能量内动能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，用符号u表示，单位J。系统本身所具有的能量包括：动能位能机械能 三、闭口系统的能量方程1、定义:与外界没有质量交换的系统。2、能量方程式Q-W=ΔU故Q=ΔU+W对于微元过程：δQ=dU+δW对于1kg工质：q=Δu+w（Ｊ/Kg)—闭口系统能量方程★以上各项均为代数值，可正可负或零，且不受过程的性质和工质性质的限制。 四、理想气体的比热1、比热的定义和单位热容量：向热力系统加热（或取热）使之温度升高（或降低）1K所需的热量,用C表示。比热：单位质量工质的热容量，用c表示。即c=C/m单位J/(kgK）或c=dq/dT（单位质量的物质作单位温度变化时吸放的热量）2、比热与过程的关系功量和热量都是过程量，故比热与过程有关。热力过程中最常见的加热过程是保持压力不变和容积不变，因此比热也相应的分为定压质量比热和定容质量比热，分别以符号cP和cν表示。绝热指数：K=cP/cν 3、比热与气体性质、温度的关系实验证明，多数气体的比热随温度的升高而增大，但为使计算简便，不考虑比热随温度的变化，即采用定值比热（或定比热）。五、理想气体内能的计算在保持系统容积不变的加热过程中，单位质量工质的加热量为：qν=cν(T2-T1)由热力学第一定律q=w+Δu推出：Δu=cv(T2-T1)★内能是一状态量，与热力过程无关，且理想气体的内能只是温度的函数，故上述公式适用于任何热力过程。且w=0， 第四节理想气体的热力过程要求掌握：1、过程的定义；2、过程方程式；3、过程中各基本参数之间的关系；4、过程量的计算；5、过程曲线，重点掌握P-V曲线，对T-S曲线作一般了解；6、多变过程的概念。 工程热力学把热机循环概括为工质的热力循环，热力循环分成几个典型的热力过程—定容、定压、定温和绝热—称为基本热力过程。一、定容过程1、定义：过程进行中系统的容积（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：P1/P2=T1/T2,P1/T1=P2/T24、过程量的计算：由W=∫PdV，且dV=0→w=0→q=Δu即：加入工质的热量全部转变为工质的内能。又q=Δu+w，q=qν=Δu=cν(T2-T1)由PV=RT知，P/T=常数，所以： 5、过程曲线等容加热温度升高等容放热温度降低２’２ 二、定压过程1、定义：过程进行中系统的压力保持不变。2、过程方程式：P=常数3、参数间的关系：由ν/T=常数ν1/T1=ν2/T2ν1/ν2=T1/T24、过程量的计算：qp=cp(T2-T1)w=∫Pdν=P(ν2-ν1)又Δu=cν(T2-T1)由热力学第一定律：qp=Δu+pdv=Δu+d（pv）=Δu+d（RT)=Δu+RdTcp(T2-T1)=cν(T2-T1)+R(T2-T1)得:cp=cν+R—迈耶公式另外：cp/cν=K—绝热指数 5、过程曲线等压加热对外做功温度升高21等压放热对内做功温度降低2’★T-s图上，等压曲线要比等容曲线平坦（说明在达到相同气体温度下，定压过程要比定容过程吸收更多的热量）。 三、定温过程1、定义：过程进行中系统的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：Pν=RT=常数P1ν1=P2ν24、过程量的计算：T=常数所以u=0由q=w+u可得：q=w※加入系统的热量全部转换为系统对外界做的功。 5、过程曲线等温压缩对外放热等温膨胀吸热22’ 四、绝热过程1、定义：过程进行中系统与外界没有热量的传递（q=0→s=q/T=0，故也称定熵过程）。2、过程方程式：Pvk=常数（推导略）K=cp/cν：绝热指数3、参数间的关系：由Pvk=常数→P1v1k=P2v2k→P1/P2=(v2/v1)k又Pv=RT→P=RT/v→Tvk-1=常数→T1/T2=(v2/v1)k-1→T2=T1(v1/v2)k-1=T1εk-14、过程量的计算：q=w+uq=0推出：w=-u即：外界对系统所做的功全部用来增加系统的内能。 5、过程曲线绝热压缩温度升高绝热膨胀温度降低 五、多变过程在实际的热力过程中，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:多变指数。等压过程；n=1,Pv=常数等温过程；n=k,Pvk=常数绝热过程；n=∞,v=常数等容过程。n=0,P=常数 2、各过程在P-v图上的比较等压线:压力升高部分压力降低部分等容线:膨胀部分压缩部分等温线:温度升高部分温度降低部分绝热线:吸热部分放热部分n=1n=kn=nW<0W＞0n从到0，放热→0→吸热；等温线右内能增加，左内能减少。例如压缩机压缩过程：K＞n＞１ 第五节热力学第二定律重点掌握：1、热力学第二定律的表述；2、热力循环的热效率；3、卡诺循环的热效率。 一、热力学第二定律的表述1、热量不可能自发的、不付任何代价的由一个低温物体传至高温物体。—热量不可能自发地从冷物体转移到热物体。2、不可能制成一种循环工作的热机，仅从单一的高温热源取热，使之完全转变为有用功，而不向低温热源（冷源）放热。—单热源热机是不存在的。能量传递（热功转换）过程的方向、条件和限度问题，要由热力学第二定律来回答。热力学第二定律的实质是一切自发的过程都是不可逆的。 二、热力循环系统从某一状态（初始状态）出发，经历一系列的中间状态，又回到初始状态，这样一个封闭的热力过程称为一个热力循环。（在P-V图上，热力循环是一封闭的曲线。）正向循环—把热能转变为机械功的循环。逆向循环—靠消耗机械功将热量从低温热源传向高温热源的循环。（或称热泵循环） 1、循环净功量1-2-3-4-1：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。w1-4-3-2-1：逆时针进行的热力过程，过程曲线所围成的面积为负，称为负循环。循环净功W=Q1-Q2Q1为1-2-3，工质从高温热源吸热Q2为3-4-1，工质从向低温热源放热 定义：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/Q1W:对外作出的循环净功；Q1:循环中吸收的总热量;Q2:循环中放出的总热量。作用：评价循环的经济性。三、热机循环的热效率 三、卡诺循环（最理想的热机循环）由两个定温过程和两个绝热过程组成的可逆循环。卡诺循环的热效率：1、卡诺循环的热效率取决于高温热源和低温热源的温度，高温热源的温度上升，低温热源的温度下降，则卡诺循环的热效率提高。 2、卡诺循环的热效率永远小于1。即在循环工作的发动机中，不可能将吸收的热量全部转化为功，必定有部分热量传递给低温热源。3、当T1=T2时，卡诺循环的热效率为0。即在温度平衡的系统中，不可能将热量转化为功（不可能由单一热源循环作功）。4、无论什么工质和循环，在一定温度范围T1到T2时之间，不可能制造出热效率超过1-T2/T1的热机。即最高热效率只能接近1-T2/T1。※这几条结论具有普遍性,适用于一切热机。 四、卡诺定理在两个温度不同的热源之间工作的热机中，可逆热机的热效率最高；在确定的两个热源之间工作的所有可逆热机，具有相同的热效率；在确定的两个热源之间工作的任何不可逆热机，其热效率总是低于在同样热源之间工作的可逆热机的热效率。推论：1、一切可逆热机的热效率彼此相等且等于卡诺热机的热效率，不可逆热机的热效率小于可逆热机的热效率。2、在内燃机上，如果排气温度过高，则内燃机的热效率下降；提高压缩比，使T1升高，则内燃机的热效率升高。 第六节发动机的理想循环为便于分析内燃机的实际工作过程，将发动机的某个循环的各个实际过程全部抽象的概括为若干个可逆过程，这样得到的一个闭合循环，称为理想循环。理想化的原则及方法：1、假设工质是理想气体；2、假设工质是在闭口系统中作封闭循环；3、假设工质的压缩及膨胀是绝热等熵过程；4、假设燃烧时外界无数个高温热源定容或定压向工质加热。 要求掌握：1、车用发动机的理想循环各是什么；2、理想循环各由哪些过程组成；3、影响理想循环热效率的因素；4、车用发动机理想循环的比较。 一、发动机的理想循环1、实际循环及理想化实际工作过程：进气、压缩、燃烧、膨胀、排气汽油机的理想循环：等容加热循环低速柴油机的理想循环：等压加热循环高速柴油机的理想循环：混合加热循环 2、汽油机的理想循环1-2的压缩过程绝热压缩；2-3的燃烧过程等容加热；3-4的膨胀过程绝热膨胀；4-1的排气过程等容放热。等容加热循环的热效率：ηT=1-1/εk-1ε--压缩比；k--绝热指数。--等容加热循环Q2Q1 3、车用柴油机的理想循环--混合加热循环混合加热循环的热效率:1-2的压缩过程绝热压缩；2-3的燃烧过程等容加热；3-4的燃烧过程等压加热；4-5的膨胀过程绝热膨胀；5-1的排气过程等容放热。ε=V1/V2--压缩比,λ=P3/P2-压力升高比，ρ=V4/V3-预胀比，k--绝热指数.Q1’Q1’’ 4、低速柴油机的理想循环--等压加热循环1-2的压缩过程绝热压缩；2-3的燃烧过程等压加热;3-4的膨胀过程绝热膨胀；4-1的排气过程等容放热。等容加热循环的热效率：ηT=1-1/εk-1×(ρK-1)/K(ρ-1) 二、影响内燃机理想循环的主要因素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。常用的方法有：1、解析法：从循环热效率的公式出发进行分析。2、图示法：由P—V图、T—S图入手分析。 1、压缩比的影响压缩比对上述三种理想循环的影响是相同的。由热效率的公式：ε,提高循环平均吸热温度，降低循环平均放热温度，扩大了循环温差和膨胀比,ηT。当压缩比较小时，热效率随压缩比的增加显著增大；当压缩比较大时，热效率随压缩比的增加增大较少。由试验曲线看出: 2、K的影响由公式看出，K↑ηT↑（混合气较稀,K较大）K取决于工质的性质，双原子气体为1.4；多原子为1.33.3、λ的影响(1)对定容加热循环，λ↑ηT不变因为λ↑则Q1↑和W↑→Q2/Q1不变。(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，而Q2减少，使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↓。(ρ↑→Q2↑)（2）对混合加热循环，ρ↑ηT↓ 比较图中各循环加热过程所对应的面积，得出：Q2p>Q2m>Q2v所以：ηtv>ηtm>ηtp三、活塞式内燃机理想循环的比较1、在等压缩比ε、等加热量Q1条件下 2、在循环的最高温度、最高压力相同的条件下在T-S图上比较三种循环的加热量和放热量，可以看出：放热量q2都相同，而加热量为：Q1p>Q1m>Q1v所以：ηtp>ηtm>ηtv实际内燃机中，由于压缩比选取的不同，有：ηtm>ηtp>ηtv 热力系统的分类（据界面上物质和能力交换的情况分）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。