汽车发动机原理热力学.ppt

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 三 课程主要内容主要内容包括 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 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 图和 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 温度 T 主要状态参数 压力P 比容 温度T 内能 熵 焓 基本状态参数 1 比容 用 表示 单位是m3 kg 定义 单位质量的物质所占的容积 即 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 A 压力的测量 3 温度 用T表示 单位是K 定义 表征物体的冷热程度 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 P RTPV mRTV m 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 W Fdx APdx PdVW12 12PdV对单位质量的工质 w12 W m 12PdV m 12Pd 故P V图上 W12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 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 W PdV得 dV 0 膨胀 W 0 系统对外界做功 dV 0 压缩 W 0 外界对系统做功 dV 0 W 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 q T1Kg工质的熵的单位J kgKmKg工质熵的单位 K 比容 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 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 U 故Q U W 对于微元过程 Q dU W 对于1kg工质 q u w 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c 表示 绝热指数 K cP c 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 加热量为 q c T2 T1 由热力学第一定律q w u 推出 u 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 常数3 参数间的关系 P1 P2 T1 T2 P1 T1 P2 T2 4 过程量的计算 由W12 12PdV 且dV 0 w 0 q u即 加入工质的热量全部转变为工质的内能 又q u w q q u c 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 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 T 常数 1 T1 2 T2 1 2 T1 T2 4 过程量的计算 qp cp T2 T1 w 12Pd P 2 1 又 u c T2 T1 由热力学第一定律 qp u pdv u d pv u d RT u RdT cp T2 T1 c T2 T1 R T2 T1 得 cp c R 迈耶公式 另外 cp c k 绝热指数 5 过程曲线 等压加热对外做功温度升高 2 1 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 P RT 常数 P1 1 P2 2 4 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 2 2 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 c 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 T1 k 1 4 过程量的计算 q w u q 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 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 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 w 1 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 Q2 Q1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 T 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 当无