《发动机原理与汽车理论》发动机原理基础知识(1)

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1、1/212/21课程内容概述u第一章 发动机原理基础知识 u第二章 发动机的换气过程 u第三章 汽油机的燃料与燃烧 u第四章 柴油机的燃料与燃烧 u第五章 燃气发动机的燃料与燃烧 u第六章 发动机的特性 u第七章 汽车的动力性 u第八章 汽车的制动性 u第九章 汽车的使用经济性 u第十章 汽车的操纵稳定性 u第十一章 汽车的舒适性 u第十二章 汽车的通过性 u第十三章 汽车性能的合理使用3/21第一章 发动机原理基础知识第一节 气体的热力性质 第二节 热力学第一定律 第三节 热力学第二定律 第四节 发动机的循环 第五节 发动机的性能指标 第六节 发动机的机械效率4/21第一节 气体的热力性质一

2、、基本概念 二、基本状态参数 三、理想气体状态方程5/21一、基本概念1.工质:实现热能与机械能相互转换的工作物质（气体）。2.热力系统和外界:把作为研究对象的某一宏观尺寸范围内的 工质总称为热力系统，如汽缸内的气体；把热力系统以外和 热功转换过程有关的其他物体统称为外界，如汽缸体。3.热力状态:把工质在某一时刻所处的宏观状态称为工质的“ 热力状态”，简称“状态”。工质的热力状态用物理量来描 述，这些物理量称为气体的状态参数，如温度、压力和比体 积等。4.热力过程:将热力系统中的工质从某一初始状态变化到另一状态所经历的整个过程称为热力过程。6/21 开口系统：与外界不仅有能量交换，又有物质交换

3、 的系统。 封闭系统：与外界只有能量交换而无物质交换的系 统。 绝热系统：与外界没有热量交换的系统。 孤立系统：与外界既无能量交换，也无物质交换的 系统。热力系统分类7/21二、基本状态参数u气体常用的状态参数有6个，其中温度（T）、压力（p）和比体积（）这三个物理量，称基本状态参数。u内能（U）、熵（S）、焓（H）。8/21温度u温度表示气体的冷热程度。按分子运动论，气体的温度是气 体内部分子不规则运动剧烈程度的物理量。气体的温度越高， 气体内部分子的平均动能就越大。u热力学温度:开氏温度，用符号T表示，单位为开尔文，单位 符号为“K” （基本温标)。热力学温度以水的三相点温度为基 本定点温

4、度(即水的固、液、气三态共存时的温度)，并规定其 温度为273.15K。于是1K就是水的三相点温度的1/273.15。u工程上的温度：摄氏温度，用符号t表示，单位符号为 “”。u摄氏温度与开氏温度的关系为： tT273.15 注意：只有开氏温度才是状态参数，开氏温度不可能为负值。9/21u定义：气体在单位面积容器壁上的垂直作用力,用符号p表示，单 位是帕斯卡，简称为帕（Pa）。由于帕很小(1帕=1N/m2)，工程上 常用千帕（kPa）或兆帕（MPa）为单位。 1 kPa =103Pa 1 MPa =106Pau压力的表示方法： 1.绝对压力：指气体作用在容器壁上的真实压力,用p表示。 2.表压

5、力：当气体的绝对压力高于大气压力时，压力表指示的数值 就是表压力。表压力等于气体的绝对压力与大气压力p0的差值，用 pg表示。其关系式为pg=p-p0 。 3.真空度：当气体的绝对压力低于大气压力时，真空表测量的数值 就是真空度。真空度等于大气压力与气体绝对压力的差值，用pv表 示。其关系式为pv=p0p。 注意：只有绝对压力才是状态参数。 1标准大气压=760mm汞柱=1.01325105Pa 1标准大气压可记作1atm压力10/21马德堡半球实验1654年时，当时的马德堡市长奥托冯格里克于罗马帝 国的雷根斯堡（今德国雷根斯堡）进行的一项科学实验 ，目的是为了证明真空的存在。11/21比体积

6、u比体积：单位质量的气体所占的体积，称为气体的比体 积。用符号v表示，单位为m3/kg。u密度：单位体积的气体所具有的质量称为密度，以符号 表示，其单位为kg/m3。12/21三、理想气体状态方程u理想气体：分子不占体积、分子之间没有吸力的气体。u理想气体状态方程式（克拉贝隆方程式）：温度、压力、 比体积之间关系式。1理想气体：理想气体：式中：Vmkg理想气体的总容积，V=mv。R气体常数，其数值取决于气体的性质，单 位为kJ/（kgK）。 13/21第二节 热力学第一定律一、功、热量和内能 二、热力学第一定律14/21一、功、热量和内能u1功 当气体的压力和容积发生变化时，气体与外界之间相互

7、传递的 机械能称之为功，用W表示。单位为焦耳，单位符号为“J” 或“kJ”， 1kJ=103J。 1kg气体容积（即比体积）的微小变化量为:dv = Adx 1kg气体对外界所作的微元功为:dw= pAdx = pdv 1kg气体对外界所作的功为: 若汽缸内的气体为mkg，其总容积V=mv， 则mkg气体从状态1变化到状态2对外所作 的功为:15/21一、功、热量和内能u2热量 热量是由于温度的不同，系统和外界之间穿越边界而传递的能 量。 热量的国际单位与功一样为焦耳，单位符号为“J”或“kJ”。 热量通常用比热来计算。比热是指单位量的物质温度每变化1K 时吸收或放出的热量，用符号c表示，即式

8、中：dq单位量的物质在温度变化dT时吸收或放出的热量 。 1kg气体的温度变化dT时，吸收或放出的微元热量dq为:dq=cdT 1kg气体的温度从T1 T2时，吸收或放出的热量q为: mkg气体的温度从T1 T2时，吸收或放出的热量Q为: 规定:气体从外界吸收热量为正，向外界放出热量为负。 注意：功和热量都不是状态参数。 16/21一、功、热量和内能u3内能 气体的内能是指气体内部所具有的各种能量的总和，由气体分 子运动的动能和分子间位能组成。u内能是气体的状态参数。u对于理想气体，因假设其分子间没有引力，其位能为零，所 以其内能仅指其内部动能，它是温度T的单值函数。 1kg气体的内能用符号u

9、表示，单位为J/kg或kJ/kg，则 u = f（T） 1kg气体的温度从T1变化到T2时，其内能的变化量u为: u = u2u1 = f（T2）f（T1） mkg气体的内能用符号U表示，单位为J或kJ，温度从T1变化到 T2时，其内能的变化量U为: U = U 2U 1 =mf（T2）f（T1) 17/21二、热力学第一定律u热力学第一定律：热和功可以相互转换，为了要获得一定量的 功，必须消耗一定量的热；反之，消耗一定量的功，必会产生一 定量的热。u第一类永动机是不可能被成功地制造的。在热能与其他能量的 相互转换过程中，能的总量保持不变-遵循能量守恒原则。u1kg气体由状态1变化到状态2所经

10、历的过程中，如果气体与外 界交换的热量为q1-2，机械功为w1-2，内能的变化量为u2u1，三 者之间的平衡关系可用能量平衡方程表示为: q1-2= u2u1+ w1-2 mkg气体由状态1变化到状态2所经历的过程中，则有 Q1-2= U2U1+ W1-2u气体状态发生变化时，从外界吸收的热量等到于其内能的增加 量与对外所作的机械功之和。 18/21第三节 热力学第二定律一、热力循环 二、循环评定指标 三、热力学第二定律 19/21一、热力循环u定义:工质由某一初始状态出发，经过一系列的状 态变化又重新回到初始状态所经历的封闭过程，简 称循环。u循环可分为正向循环和逆向循环。u循环过程可用pv

11、图表示。20/21pv图u循环中工质所作的净功为:w0 u循环中工质从外界吸收的净热量 为: q1q2 u由于u=0。根据热力学第一定 律则可得出:q1q2= w0u结论:循环中工质从高温热源吸 收热量q1，只将其中的一部分转换 成机械功w0，而另一部分热量q2传 递给低温热源。 umkg：Q1 Q2=W021/21二、循环评定指标1.循环热效率t ：指循环中热功转换的效率，它等于循 环中工质对外界作的净功与循环加热量之比 （评价经济 性）。2.循环平均压力pt ：指单位汽缸工作容积所作的循环功 （评价动力性）。22/21三、热力学第二定律 u开尔文一普朗克说法：“不可能建造一种循环工作的机器， 其作用只是从单一热源取热并全部转变为功，而不引起其他变 化。”(第二类永动机是不可能被成功制造的。) 为了连续地获得机械功，至少必须有两个热源，即高温热源和 低温热源。u克劳修斯说法：“不可能将热量由低温物体传向高温物体而 不引起其他变化。” 这一表述说明：不管利用什么机器，热量不可能自发地、不花 任何代价地从低温物体传向高温物体。各种制冷设备必须消耗 功并把这些功转换为热量和低温物体的热量一起传给高温物体 ，以达到制冷的目的。u结论：自发过程具有方向性-一切自发实现的过程都是不可 逆的。