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1、汽车发动机原理汽车发动机原理课课 程程 概概 述述一、课程的性质和任务一、课程的性质和任务 1、研研究究发发动动机机的的工工作作过过程程和和性性能能指指标标，主主要要包包括括动力性动力性、经济性、排放性等。、经济性、排放性等。 2、分析影响发动机性能指标的因素。、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。、找出提高发动机性能指标的途径。二、课程的地位和作用二、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。
2、的作用，对今后的实际工作起指导作用。 三、课程主要内容三、课程主要内容 课程的主要内容分两大部分课程的主要内容分两大部分，工程热力工程热力学基础知识学基础知识部分的重点是发动机的理想循环。部分的重点是发动机的理想循环。发动机原理发动机原理部分的重点是内燃机的燃烧过部分的重点是内燃机的燃烧过程和特性。程和特性。 主主要要内内容容包包括括：工工程程热热力力学学基基础础、发发动动机机示示功功图图和和性性能能指指标标、燃燃料料和和燃燃烧烧、发发动动机机换换气气、汽汽油油机机混混合合气气的的形形成成与与燃燃烧烧过过程程、柴柴油油机机混混合合气气的的形形成成与与燃燃烧烧过过程程、发发动动机机特特性性、发发
3、动动机机的的排放与控制等。排放与控制等。四、课程的特点、要求、学时分配、考核四、课程的特点、要求、学时分配、考核特点特点:本课程理论性较强，无多少实物供参照，课堂上的本课程理论性较强，无多少实物供参照，课堂上的讲授以理论分析和推导为主讲授以理论分析和推导为主。要求要求:要求课上集中精力听讲，做好笔记，课下及时复习。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。对重点章节要熟练掌握。学时分配：学时分配：总学时总学时4040考核：考核：本课程为考试课，平时本课程为考试课，平时20%20%；考试；考试80%80%。参考书：参考书： 1.汽车发动机原理汽车发动机原理徐兆坤徐兆坤
4、主编主编 清华大学出版社清华大学出版社 2.汽车发动机拖拉机汽车发动机拖拉机（第（第3版）董敬等主编版）董敬等主编 机械工业出版社机械工业出版社第一章第一章 工程热力学基础工程热力学基础本章要求：本章要求：了解：了解：热力系统、工质、热力系统、工质、功、热量、内能和熵等功、热量、内能和熵等概念，理想气体和卡诺概念，理想气体和卡诺循环等。循环等。理解：理解：热力学第一和第热力学第一和第二定律，图和二定律，图和T图，理想气体的热力图，理想气体的热力过程和发动机的理想循过程和发动机的理想循环。环。 第一节第一节 气体的状态及状态方程气体的状态及状态方程一、热力系统一、热力系统1 1、在热力学中，从若
5、干个物体、在热力学中，从若干个物体中规划出所要研究的对象，称中规划出所要研究的对象，称为为热力系统热力系统；热力系热力系外界外界界面界面2 2、工质：、工质：在热力设备中用来实现热能与其它形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。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热力设备通过工质状态的变化实现与外界的能量交换。能量交换。研究对象以外的一切物质，称为研究对象以外的一切物质，称为外界外界；热力系统和外界的分界面，称为热力系统和外界的分界面，称为界面界面。二、二、热力状态与状态参数热力状态与状态参数1 1、热力状态：、热力状态：热力系统在某一瞬间所呈现的热力系统在
6、某一瞬间所呈现的宏观物理状况。宏观物理状况。热力平衡状态：热力平衡状态：当外界条件不变系统内状态长时当外界条件不变系统内状态长时间不变，即具有均匀一致的间不变，即具有均匀一致的P P、V V、T T。2 2、状态参数：、状态参数：用来描述气体热力状态的物理量用来描述气体热力状态的物理量基本状态参数：基本状态参数：可直接测量的状态参数，包括：可直接测量的状态参数，包括：压力压力(P)(P)、比容比容()()、温度温度(T)(T)。主要状态参数：主要状态参数：压力压力P P、比容、比容、温度、温度T T、内能、内能、熵、熵、焓焓。基本状态参数：基本状态参数：1 1、比容：、比容：用用表示，单位是表
7、示，单位是m m3 3/kg/kg 。定义：定义：单位质量的物质所占的容积。即：单位质量的物质所占的容积。即： =V/M=V/MV-V-物质的容积物质的容积,m,m3 3; M-; M-物质的质量，物质的质量， kgkg。比容的倒数是？比容的倒数是？2 2、压力压力：用用P P表示，单位是表示，单位是PaPa，MpaMpa、kPakPa。定义：定义：系统单位面积上受到的垂直作用力。系统单位面积上受到的垂直作用力。即：即：P=F/A P=F/A 3 3、温度：、温度：用用T T表示，单位是表示，单位是K K。定义：定义：表征物体的冷热程度表征物体的冷热程度（气体分子的平均气体分子的平均动能越大）
8、动能越大）三、理想气体的状态方程三、理想气体的状态方程 1 1、理想气体：、理想气体：气体分子本身不占有体积，分气体分子本身不占有体积，分子之间无相互作用力的气体。子之间无相互作用力的气体。 2 2、理想气体的状态方程：理想气体的状态方程： P=RT PV= P=RT PV= mRTmRT V= m V= m 对空气，对空气，R=0.287kJ/kgKR=0.287kJ/kgK 3 3、压容图压容图 气体的状态也可用气体的状态也可用P-P-V V图上的一个点表示，比图上的一个点表示，比较直观。较直观。第二节第二节 热力过程及过程量热力过程及过程量 功功：dWdW= =FdxFdx= =APdx
9、APdx= =PdVPdV W=W=PdVPdV 故故P-VP-V图上图上, , W W为过程线与横轴围为过程线与横轴围成的面积。成的面积。 一、热力过程一、热力过程 热力系统从一个平衡状热力系统从一个平衡状态到另一个平衡状态的变态到另一个平衡状态的变化历程。化历程。 P-VP-V图上图上, ,一个点表示一个点表示气体的一个热力状态气体的一个热力状态; ;一条曲线表示一个热一条曲线表示一个热力过程。力过程。二、膨胀功二、膨胀功（）（）气体在热力过程中由于体气体在热力过程中由于体积发生变化所做的功（又积发生变化所做的功（又称为称为容积功容积功）规定：规定：热力系统对外界做功为正，外界对热热力系统
10、对外界做功为正，外界对热力系统做功为负。力系统做功为负。由由W=W=PdVPdV得：得： dVdV00，膨胀膨胀,W0,W0， 系统对外界做功；系统对外界做功； dVdV00，压缩压缩,W0,W0,W0压缩压缩,W0,W0,Q0,0,Q0,吸热吸热; ;dsds0,Q0,0,Q0放热放热Q0一、热力学第一定律一、热力学第一定律表表述述为为：当当热热能能与与其其它它形形式式的的能能量量相相互互转转换换时时，能能的的总总量保持不变。量保持不变。对于一个热力系统：对于一个热力系统： 进入系统的能量进入系统的能量- -离开系统的能量离开系统的能量 = =系统内部储存能量的变化量系统内部储存能量的变化量
11、热热力力学学第第一一定定律律是是能能量量转转换换与与守守恒恒定定律律在在热热力力学学上上的的具具体体应应用用，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。 它它表表达达工工质质在在受受热热作作功功过过程程中中，热热量量、作作功功和和内内能能三三者者之之间间的的平平衡关系。衡关系。第三节第三节 热力学第一定律热力学第一定律二、内能二、内能- -工质内部所具有的各种能量总称工质内部所具有的各种能量总称宏观能量包括：宏观能量包括：微观能量即系统的微观能量即系统的内能内能，包括：，包括：宏观能量宏观能量微观能量微观能量内动能内动能内位能内位能
12、内位能内位能与分子间的距离、吸引力有关与分子间的距离、吸引力有关, ,是比容的函数是比容的函数；内动能内动能包括移动动能、转动动能和振动动能，包括移动动能、转动动能和振动动能，是温度的单是温度的单值函数。值函数。对于理想气体，不考虑分子间的位能，故内能只对于理想气体，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，是分子的内动能，仅与温度有关，是温度的单值函是温度的单值函数数，用符号用符号u u表示，单位表示，单位J J。系统本身所具有的能量包括：系统本身所具有的能量包括：动能动能位能位能机械能机械能三、闭口系统的能量方程三、闭口系统的能量方程1 1、定义、定义: : 与外界没有质量
13、交换的系统。与外界没有质量交换的系统。 2 2、能量方程式、能量方程式 Q-W=UQ-W=U故故Q=U+WQ=U+W对于微元过程：对于微元过程：Q=Q=dU+WdU+W对于对于1kg1kg工质：工质：q=q=u+wu+w （/Kg)/Kg)闭口系统能量方程闭口系统能量方程以上各项均为以上各项均为代数值代数值，可正可负或零，且，可正可负或零，且不受过程的性质和工质性质的限制。不受过程的性质和工质性质的限制。 四、理想气体的比热四、理想气体的比热1 1、比热的定义和单位、比热的定义和单位热热容容量量：向向热热力力系系统统加加热热（或或取取热热）使使之之温温度度升升高高（或降低）（或降低）1K1K所
14、需的热量所需的热量, ,用用C C表示。表示。比比热热：单单位位质质量量工工质质的的热热容容量量，用用c c表表示示。即即c=C/m c=C/m 单单位位J/(J/(kgKkgK）或或c=c=dq/dTdq/dT（单单位位质质量量的的物物质质作作单单位位温温度度变变化化时时吸吸放的热量）放的热量） 2 2、比热与过程的关系比热与过程的关系 功功量量和和热热量量都都是是过过程程量量，故故比比热热与与过过程程有有关关。 热热 力力 过过 程程 中中 最最 常常 见见 的的 加加 热热 过过 程程 是是 保保 持持 压压 力力 不不 变变 和容积不变，因此比热也相应的分为和容积不变，因此比热也相应的
15、分为定压质量比热定压质量比热和和定定容质量比热容质量比热，分别以符号，分别以符号cPcP 和和c c 表示。绝热指数：表示。绝热指数：K= K= cPcP / / cc 3 3、比热与气体性质、温度的关系比热与气体性质、温度的关系 实实验验证证明明，多多数数气气体体的的比比热热随随温温度度的的升升高高而而增增大大，但但为为使使计计算算简简便便，不不考考虑虑比比热热随随温温度度的的变变化化，即即采采用用定定值比热（或定比热）。值比热（或定比热）。 五、理想气体内能的计算五、理想气体内能的计算 在在保保持持系系统统容容积积不不变变的的加加热热过过程程中中，单单位位质质量量工工质质的加热量为：的加热
16、量为： q q=c=c(T(T2 2-T-T1 1) ) 由热力学第一定律由热力学第一定律 q=w+uq=w+u推出：推出：u=cu=cv v(T(T2 2-T-T1 1) )内能是一状态量，与热力过程无关，且理想气体的内内能是一状态量，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能只是温度的函数，故上述公式适用于任何热力过程。且且 w =0w =0，第四节第四节 理想气体的热力过程理想气体的热力过程要求掌握：要求掌握： 1 1、过程的定义；、过程的定义； 2 2、过程方程式；、过程方程式； 3 3、过程中各基本参数之间的关系；、过程中各基本参数之间的关系； 4
17、 4、过程量的计算；、过程量的计算； 5 5、过程曲线，重点掌握、过程曲线，重点掌握P-VP-V曲线，对曲线，对T-ST-S 曲线作一般了解；曲线作一般了解； 6 6、多变过程的概念。、多变过程的概念。工工程程热热力力学学把把热热机机循循环环概概括括为为工工质质的的热热力力循循环环，热热力力循循环环分分成成几几个个典型的热力过程典型的热力过程定容、定压、定温和绝热定容、定压、定温和绝热称为基本热力过程。称为基本热力过程。一、定容过程一、定容过程1 1、定定义义：过过程程进进行行中中系系统统的的容容积积（比比容容）保保持持不不变变的过程。的过程。2 2、过程方程式：、过程方程式：=常数常数3 3
18、、参数间的关系：、参数间的关系：P P1 1/P/P2 2=T=T1 1/T/T2 2, , P P1 1/T/T1 1=P=P2 2/T/T2 24 4、过程量的计算：、过程量的计算： 由由 W=W=PdVPdV，且且 dVdV=0=0 w=0w=0 q=uq=u即：加入工质的热量全即：加入工质的热量全部转变为工质的内能。部转变为工质的内能。又又 q=u+wq=u+w， q=qq=q=u=u =c=c(T(T2 2-T-T1 1) )由由 PV=RTPV=RT 知，知，P/T=P/T=常数常数，所以：所以：5 5、过程曲线、过程曲线等容加热等容加热温度升高温度升高等容放热等容放热温度降低温度
19、降低二、定压过程二、定压过程 1 1、定义：、定义：过程进行中系统的压力保持不变。过程进行中系统的压力保持不变。 2 2、过程方程式：、过程方程式：P=P=常数常数3 3、参数间的关系：参数间的关系：由由/T=/T=常数常数 1 1/T/T1 1=2 2/T/T2 2 1 1/2 2=T=T1 1/T/T2 24 4、过程量的计算：过程量的计算： q qp p=c=cp p(T(T2 2-T-T1 1) )w=w=PdPd=P(=P(2 2-1 1) )又又 u u =c=c(T(T2 2-T-T1 1) ) 由热力学第一定律：由热力学第一定律： q qp p= =u+pdvu+pdv= =u
20、+du+d（pvpv）= =u+du+d（RT)=RT)=u+RdTu+RdTc cp p(T(T2 2-T-T1 1)=c)=c(T(T2 2-T-T1 1)+R(T)+R(T2 2-T-T1 1) )得得:c cp p=c=c+ R+ R 迈耶公式迈耶公式另外：另外： c cp p/ /c c=K=K绝热指数绝热指数5 5、过程曲线、过程曲线等压加热等压加热对外做功对外做功温度升高温度升高21等压放热等压放热对内做功对内做功温度降低温度降低2T-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
21、）。度下，定压过程要比定容过程吸收更多的热量）。三、三、定温过程定温过程1 1、定定义义：过过程程进进行行中中系系统统的的温温度度保保持持不不变变的过程。的过程。2 2、过程方程式：、过程方程式： T=T=常数常数3 3、参数间的关系：、参数间的关系： P=RT=P=RT=常数常数P P1 11 1=P=P2 22 2 4 4、过程量的计算、过程量的计算： T=常数常数 所以所以 u=0由由 q=w+ u可得：可得： q=w加入系统的热量全部转换为系统对外界做的功。加入系统的热量全部转换为系统对外界做的功。5 5、过程曲线、过程曲线等温压缩等温压缩对外放热对外放热等温膨胀等温膨胀 吸热吸热22
22、四、四、绝热过程绝热过程 1 1、定义：、定义：过程进行中系统与外界没有热量的传递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，故也称定熵过程 ）。）。 2 2、过程方程式：、过程方程式：PvPvk k= =常数常数（推导略）（推导略） K= c cp p/c/c：绝热指数绝热指数3 3、参数间的关系：、参数间的关系：由由 PvPvk k= =常数常数 P P1 1v v1 1k k=P=P2 2v v2 2k k P P1 1/P/P2 2=(v=(v2 2/v/v1 1) )k k又又 PvPv=RT =RT P=RT/vP=RT/v TvTvk-1k-1
23、= =常数常数 T T1 1/T/T2 2=(v=(v2 2/v/v1 1) )k-1k-1 T T2 2=T=T1 1(v(v1 1/v/v2 2) )k-1k-1 =T =T1 1k-1k-14 4、过程量的计算：、过程量的计算： q=w+ u q=0推出：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。即：外界对系统所做的功全部用来增加系统的内能。5 5、过程曲线、过程曲线绝热压缩绝热压缩温度升高温度升高绝热膨胀绝热膨胀温度降低温度降低 五、多变过程五、多变过程 在实际的热力过程中，在实际的热力过程中，P P、T T的变化的变化和热量的交换都存在，不能用上述某一特殊和热
24、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、更一般的热力过程来分析，需用一普遍的、更一般的过程即的过程即多变过程多变过程来描述。来描述。 1 1、过程方程式、过程方程式：PvPvn n= =常数常数n:n:多变指数。多变指数。 等压过程；等压过程；n=1,Pv=n=1,Pv=常数常数 等温过程；等温过程；n=n=k,Pvk,Pvk k= =常数常数绝热过程；绝热过程；n=,v=n=,v=常数常数 等容过程。等容过程。n=0,P=n=0,P=常数常数2 2、各过程在各过程在P-vP-v图上的比较图上的比较等压线等压线:压力升高部分压力升高部分压力降低部分压力降低部分等容线等
25、容线: :膨胀部分膨胀部分压缩部分压缩部分等温线等温线: :温度升高部分温度升高部分温度降低部分温度降低部分绝热线绝热线: :吸热部分吸热部分放热部分放热部分n=1n=1n=kn=kn=n= nW0WQQ2m2mQQ2v2v所以：所以： tvtvtmtm tptp三、活塞式内燃机理想循环的比较三、活塞式内燃机理想循环的比较1 1、在等压缩比、在等压缩比 、等加热量、等加热量Q1条件下条件下2 2、在循环的最高温度、最高压力相同的条件下、在循环的最高温度、最高压力相同的条件下在在T-ST-S图上比较三种循图上比较三种循环的加热量和放热量，环的加热量和放热量，可以看出：可以看出： 放热量放热量q
26、q2 2都相同，而都相同，而加热量为：加热量为： Q1pQ1mQ1v所以：所以：tptmtv 实际内燃机中，由实际内燃机中，由于压缩比选取的不同，于压缩比选取的不同，有：有：tmtm tptptvtv热力系统的分类热力系统的分类（据界面上物质和能力交换的情况分）（据界面上物质和能力交换的情况分） 闭口系统：闭口系统：与外界无质量交换的系统；与外界无质量交换的系统；开口系统：开口系统：与外界有质量交换的系统；与外界有质量交换的系统；绝热系统：绝热系统：与外界无热量交换的系统；与外界无热量交换的系统；孤立系统：孤立系统：与外界即无质量交换，又无与外界即无质量交换，又无 热量交换的系统。热量交换的系统。
