《发动机原理与汽车理论》课件学习单元一

,发动机原理与汽车理论,学习单元一 发动机热力学基础,学习任务一 发动机运行中的气体参数测量试验,发动机是一种通过燃烧可燃气体将化学能转化为动能的热力机，可燃气体的状态对燃烧产生的热能有非常重要的影响，就像物理学中采用加速度和速度来描述一个物体的运动状态一样，发动机可燃气体的状态也需要相关参数描述。因此需要测量发动机运行中温度压力等相关参数。 热力学基本状态参数包括温度、压力、比体积、内能、熵和焓等几个参数。要测量发动机的几个重要参数，需要发动机台架、燃烧分析仪、温度压力传感器以及数据采集系统。,学习单元一 发动机热力学基础,相关知识一 热力学基本状态参量 一、热力学中基本概念 1.工质 工程热力学中，物质的能量在不断的变化和传递中。实现这种物质能量传递和转换的物质，在工程热力学中被称为“工质”。在车辆空调系统中，所用的工质是制冷剂，比如R12和R134等。汽油发动机在运行过程中，其工质有空气、燃油空气混合气和燃烧后排出的废气，显然发动机在工作工程中，利用这些工质将化学能转换成机械能，使发动机运转。,学习单元一 发动机热力学基础,2.热力系统 在热力学中，把某一宏观范围内的工质作为研究的具体对象，称为热力学系统，简称系统。当燃油空气混合气在发动机缸内进行工作的时候，发动机缸内就构成了一个热力学系统。 在工程热力学中，通常把热力系统分为以下几类：开口系统，指与外界有物质交换的系统；封闭系统，指与外界无物质交换的系统；绝热系统，指与外界无热交换的系统；孤立系统，指与外界既无物质交换也无能量交换的系统。广义地说，发动机工作中是一个开口系统，因为工作整个工作过程会与外界进行物质和能量的交换，而在燃烧做功这阶段，又可以认为此时为封闭系统。,学习单元一 发动机热力学基础,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。,学习单元一 发动机热力学基础,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。,学习单元一 发动机热力学基础,二、基本状态参数,学习单元一 发动机热力学基础,1.温度 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。 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。 工程上的温度：摄氏温度，用符号t表示，单位符号为 。 摄氏温度与开氏温度的关系为：t=T-273.15,学习单元一 发动机热力学基础,2.压力,学习单元一 发动机热力学基础,学习单元一 发动机热力学基础,4.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。 内能是气体的状态参数。 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 的单值函数。,学习单元一 发动机热力学基础,5.焓 焓是一个热力学系统中的能量参数。规定由字母H（单位：焦耳，J）表示。 6.熵 物理学上指热能除以温度所得的商，标志热量转化为功的程度。熵是体系的状态函数，其值与达到状态的过程无关；熵的定义是,学习单元一 发动机热力学基础,三、理想气体状态方程,学习单元一 发动机热力学基础,四、工质的比热容,学习单元一 发动机热力学基础,相关知识二 热力学第一定律和第二定律 热力学第一定律和第二定律描述的是在热力过程中，能量的传递和变化之间的关系。,一、功 当气体的压力和容积发生变化时，气体与外界之间相互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:,学习单元一 发动机热力学基础,2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。,学习单元一 发动机热力学基础,相关知识三 热力过程 热力系统里的工质在一定条件下，会从一种热力状态变化到另一种热力状态，这一变化过程，称之为热力过程。为了更方便的研究热力过程，将热力过程分为定容过程、定温过程、定压过程和定熵过程。当然在实际热力过程中，并不是单一又上述的某一热力过程构成，只是在研究过程中，为了方便，将热力过程单一化。,学习单元一 发动机热力学基础,一、定容过程,()过程方程：定值 ()基本状态参数间关系式： ()功量与热量分析计算,定容过程，故定容过程膨胀功 定容过程的技术功为 () 根据比定容热容定义，定容过程吸收的热量为 或由热力学第一定律表达式 ,图-6 定容过程,()图和图 根据过程方程可知，在p图上定容线是一条与横坐标垂直的直线，如图-所示。,二、定压过程,()过程方程：定值 ()基本状态参数间关系式： ()功量和热量分析计算,定压过程，则膨胀功和技术功为 () 类似于定容过程分析，定压过程吸热量 ,图-7 定压过程,()图和图 根据过程方程知，在图上定压线为一条与纵坐标垂直的直线，如图-所示。,三、定温过程,()过程方程：由定义知，定温过程温度保持不变，即定值。 ()基本状态参数间关系： ()功量和热量的分析计算,根据过程方程，过程的膨胀功为 / 根据理想气体热力性质，即，从而有 因此在理想气体的定温过程中，膨胀功、技术功和热量三者相等。,图-8 定温过程,()图和图 根据过程方程知，定温线在图上是等轴双曲线，如图所示。,四、定熵过程,()过程方程 根据理想气体熵变的微分表达式和定熵过程熵不变的特点，有/定值 ()基本状态参数间的关系 / / ()功量和热量的分析计算,定熵过程的技术功为 定熵过程是绝热可逆过程，故 ,图-9 绝热过程,()图和图 由定熵过程的过程方程=定值可知，定熵过程在图上是一条幂指数为负的幂函数曲线(又称高次双曲线)。,相关知识四 卡诺循环 )卡诺循环的热效率仅决定于高温热源和低温热源的温度。 )由于不可能为无限大，不可能为零，所以卡诺循环的热效率不可能达到。 )无论采用什么工质和什么循环，也无论将不可逆损失减小到何种程度，在一定的温度范围到之间，不可能制造出热效率超过()的热机。,图- 卡诺循环示意图,三、卡诺定理 卡诺定理告诉我们，两个给定热源之间的所有循环中，以卡诺循环的热效率最高。一切工质的循环都是不可逆循环，因此实际循环的热效率必小于相同热源条件下卡诺循环的热