汽车发动机原理热力学.pptx

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、经济性、排放性等。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。、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。三、课程主要内容三、课程主要内容主要内容包括：主要内容包括：工程热力学基础工程热力学基础、发动机示功图和、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。过程、发动机特性、发动机的排放与控制等。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，图和图，理想气体的热图，理想气体的热力过程和发动机的理想力过程和发动机的理想循环。循环。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、热力状态与状态参数二、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 压力的测量压力的测量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）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=mRT V=mP=RT PV=mRT V=m 对空气，对空气，R=0.287kJ/kgR=0.287kJ/kgK K 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：W=Fdx=APdx=PdVW=Fdx=APdx=PdV W W1 12 2=1 12 2PdVPdV对单位质量的工质对单位质量的工质：w w1 12 2=W/m=W/m=1 12 2PdV/m PdV/m =1 12 2Pd Pd 故故P-VP-V图上图上,W W1 12 2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=PdVW=PdV得：得：dV0dV0，膨胀，膨胀,W0,W0，系统对外界做功；系统对外界做功；dV0dV0，压缩，压缩,W0,W0,W0压缩压缩,W0,W0,Q0,ds0,Q0,吸热吸热;ds0,Q0,ds0,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=dU+WQ=dU+W对于对于1kg1kg工质：工质：q=u+w q=u+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代数值，可正可负或零，且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。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高（或降低）升高（或降低）1K1K所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/(kgKJ/(kgK）或或c=dq/dTc=dq/dT（单单位位质质量量的的物物质质作单位温度变化时吸放的热量）作单位温度变化时吸放的热量）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，因此比热也相应的分为定压质量定压质量比热比热和和定容质量比热定容质量比热，分别以符号，分别以符号c cP P 和和c c 表表示。绝热指数：示。绝热指数：K=cK=cP P/c/c 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 在保持系统容积不变的加热过程中，加热量为：在保持系统容积不变的加热过程中，加热量为：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 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、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 W1 12 2=1 12 2PdVPdV，且且 dV=0dV=0 w=0w=0 q=u q=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=1 12 2Pd=P(Pd=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+pdv=u+pdv=u+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）。度下，定压过程要比定容过程吸收更多的热量）。三、定温过程三、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22四、绝热过程四、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 Pv=RT Pv=RT P=RT/vP=RT/v TvTvk-1k-1=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=k,Pvn=k,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=nW0W0W W0 0n从从 到到0，放热，放热0 吸热；等温线右内能增加，左内能减少。吸热；等温线右内能增加，左内能减少。例如压缩机压缩过程：例如压缩机压缩过程：K Kn n第五节第五节 热力学第二定律热力学第二定律 重点掌握：重点掌握：1 1、热力学第二定律的表述；、热力学第二定律的表述；2 2、热力循环的热效率；、热力循环的热效率；3 3、卡诺循环的热效率。、卡诺循环的热效率。一、热力学第二定律的表述一、热力学第二定律的表述 1 1、热量不可能自发的、不付任何代价的由一个低温物、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。体传至高温物体。热量不可能自发地从冷物体转移到热量不可能自发地从冷物体转移到热物体。热物体。2 2、不可能制成一种循环工作的热机，仅从单一的高温、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。（冷源）放热。单热源热机是不存在的。单热源热机是不存在的。能能量量传传递递（热热功功转转换换）过过程程的的方方向向、条条件件和和限限度度问问题题，要要由由热热力学第二定律来回答。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。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、热力循环二、热力循环系统从某一状态（初始状态）出发，经历一系列的系统从某一状态（初始状态）出发，经历一系列的中间状态，又回到初始状态，中间状态，又回到初始状态，这样一个封闭的热力这样一个封闭的热力过程称为一个热力循环。过程称为一个热力循环。（在（在P-VP-V图上，热力循环图上，热力循环是一封闭的曲线。）是一封闭的曲线。）正向循环正向循环把热能转变为机械功的循环。把热能转变为机械功的循环。逆向循环逆向循环靠消耗机械功将热量从低温热源传向靠消耗机械功将热量从低温热源传向 高温热源的循环。（或称高温热源的循环。（或称热泵循环热泵循环）1 1、循环净功量、循环净功量1-2-3-4-11-2-3-4-1：顺时顺时针进行的热力过针进行的热力过程，过程曲线所程，过程曲线所围成的面积为正，围成的面积为正，称为称为正循环正循环。w 1-4-3-2-11-4-3-2-1：逆逆 时针进行的热力时针进行的热力过程，过程曲线过程，过程曲线所围成的面积为所围成的面积为负，称为负，称为负循环负循环。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：定义：循环净功与从高温热源吸收循环净功与从高温热源吸收热量的比值热量的比值T T=W/Q=W/Q1 1=(Q=(Q1 1-Q-Q2 2)/Q)/Q1 1=1-Q=1-Q2 2/Q/Q1 1 W:W:对外作出的循环净功；对外作出的循环净功；Q Q1 1:循环中吸收的总热量循环中吸收的总热量;Q Q2 2:循环中放出的总热量。循环中放出的总热量。作用：作用：评价循环的经济性。评价循环的经济性。三三、热机循环的热效率热机循环的热效率三、卡诺循环三、卡诺循环（最理想的热机循环）（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。由两个定温过程和两个绝热过程组成的可逆循环。卡诺循环的卡诺循环的热效率热效率：1 1、卡诺循环的热效率取卡诺循环的热效率取决于高温热源和低温热决于高温热源和低温热源的温度，高温热源的源的温度，高温热源的温度上升，低温热源的温度上升，低温热源的温度下降，则卡诺循环温度下降，则卡诺循环的热效率提高。的热效率提高。2 2、卡诺循环的热效率永远小于卡诺循环的热效率永远小于1 1。即在循环工作的发动机中，不可能将吸收的热量全部转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。化为功，必定有部分热量传递给低温热源。3 3、当当T T1 1=T=T2 2时，卡诺循环的热效率为时，卡诺循环的热效率为0 0。即在温度平衡的系统中，不可能将热量转化为功（不可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）。能由单一热源循环作功）。4 4、当当无无论论什什么么工工质质和和循循环环，在在一一定定温温度度范范围围T T1 1到到T T2 2时时之之间间，不不可可能能制制造造出出热热效效率率超超过过1-T1-T2 2/T/T1 1的的热热机机。即最高热效率只能接近即最高热效率只能接近1-T1-T2 2/T/T1 1。这几条结论具有普遍性这几条结论具有普遍性,适用于一切热机。适用于一切热机。四、卡诺定理四、卡诺定理 在在两两个个不不同同定定温温热热源源间间工工作作的的任任何何热热机机的的热热效效率率，不不可可能能大大于于在在同同样样两两个个热热源源间间工工作作的的可可逆逆热热机的热效率。机的热效率。推论：推论：1 1、一一切切可可逆逆热热机机的的热热效效率率彼彼此此相相等等且且等等于于卡卡诺诺热热机机的的热热效效率率，不不可可逆逆热热机机的的热热效效率率小小于于可可逆逆热热机机的热效率。的热效率。2 2、在在内内燃燃机机上上，如如果果排排气气温温度度过过高高，则则内内燃燃机机的的热热效效率率下下降降；提提高高压压缩缩比比，使使T T1 1升升高高，则则内内燃燃机机的热效率升高。的热效率升高。