发动机原理与汽车理论 第1章 发动机原理基础知识.ppt

1、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,第一节 气体的热力性质,一、基本概念 二、基本状态参数 三、理想气体状态方程,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

2、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。,开口系统：与外界不仅有能量交换，又有物质交换的系统。 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,二、基本状态参数,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。 内能（U）、熵（S）、焓（H）。,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

3、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： tT273.15 注意：只有开氏温度才是状态参数。,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，工程上常用千帕（kPa）或兆帕（MPa）为单位。 1 kPa =103Pa 1 MPa

4、 =106Pa 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。,压力,比体积,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。 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

5、kg/m3。,三、理想气体状态方程,理想气体：分子不占体积、分子之间没有吸力的气体。 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）。,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,一、功、热量和内能,1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

6、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:,一、功、热量和内能,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: m

7、kg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。,一、功、热量和内能,3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T的单值函数。 1kg气体的内能用符号u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k

8、J，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),二、热力学第一定律,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。 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。 1kg气体由状态1变化到状态2所经历的过程中，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

9、 Q1-2= U2U1+ W1-2 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。,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,一、热力循环,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。 循环可分为正向循环和逆向循环。 循环过程可用pv图表示。,pv图,循环中工质所作的净功为:w0 循环中工质从外界吸收的净热量为: q1q2 由于u=0。根据热力学第一定律则可得出:q1q2= w0 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

10、给低温热源。 mkg：Q1 Q2=W0,二、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）。,三、热力学第二定律,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。 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、

11、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。 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。,第四节 发动机的循环,一、发动机的实际循环 二、发动机的理想循环 三、实际循环与理想循环的差别,一、发动机的实际循环,发动机的实际循环：连续不断的把热能转换为机械功的循环。 四冲程发动机的实际循环是由进气、压缩、燃烧、膨胀和排气5个过程组成。通常用汽缸内工质的压力p随汽缸容积V（或曲轴转角）而变化的图形,来表示汽缸内工质的实际工作情况。,p-V图和p-图,结论：进气、压缩、燃烧、膨胀、排气,进气过程进行

12、的好坏用实际进入汽缸的新鲜工质的数量评价。 由pV=mRT可以看出：汽缸容积一定时，提高进气终了压力、降低进气终了温度可增加进气量。进气量的增加意味着循环加热量的增加，在循环热效率一定时，可增加循环净功，从而提高发动机动力性。,结论：进气,发动机的实际压缩过程，是一个复杂的热力过程(吸热-绝热-放热)。总体来说，缸内气体的放热量大于其吸热量。 实际工作中，常测量压缩终了的压力。压缩终了的压力过低，说明汽缸密封不良，其主要原因一般是气门密封不良、活塞和汽缸磨损严重等。,结论：压缩,汽油机及燃气发动机的燃烧接近定容加热过程。 柴油机燃烧接近混合加热过程（同时存在定容加热和定压加热）。 燃烧过程放出

13、的热量越多，放热时越靠近上止点，则热效率越高。 在实际燃烧过程中，不仅有散热损失、不完全燃烧损失，而且还存在非瞬时燃烧损失。,结论：燃烧,燃烧过程,发动机的实际膨胀过程与压缩过程很相似，也是一个复杂的热力过程（吸热量大于放热量、吸热量等于放热量、吸热量小于放热量）。总体来说，缸内气体的吸热量大于放热量。 膨胀过程不仅有散热损失和漏气损失，还有补燃损失。 膨胀过程终了b点的压力和温度越低，说明气体膨胀和热量利用越充分。,结论：膨胀,由于排出的废气具有一定的压力和较高的温度，故存在排气损失。 由于排气系统有阻力，使排气终了的压力略高于大气压力。 实际工作中，也常用排气温度作为检查发动机工作状态的技

14、术指标，排气终了温度偏高，说明发动机工作不良，热功转换效率低。,结论：排气,二、发动机的理想循环,1.实际循环的简化 2.柴油机的理想循环 3.汽油机的理想循环 4.理想循环的影响因素,1. 实际循环的简化,1）假设工质为理想气体，其比热为定值。 2）假设压缩和膨胀过程均是绝热过程。 3）假设燃烧过程为定容加热过程或定压加热过程，废气带走热量为定容放热过程。 4）假设汽缸内工质的数量不变，不考虑进、排气过程，并忽略漏气的影响。 5）忽略实际过程中存在摩擦等能量损失。,柴油机的理想循环 混合加热循环。 由5个热力过程组成。 循环净功为W。 根据热力学中热量和循环热效率 的计算公式可求出混合加热循

15、环 的热效率为：,2.柴油机的理想循环,式中：压缩比， ； 压力升高比， ； 预胀比， ； k绝热指数， ，k为定值，其值取决于气体的原子数，单：k=1.67，双：k=1.4，三：k=1.3。 根据热力学公式和循环平均压力可求出混合加热循环的平均压力为：,影响因素,2.柴油机的理想循环,3.汽油机的理想循环,汽油机的理想循环 定容加热循环。 由4个热力过程组成:（=1） 循环净功为W 。 将=1代入混合加热循环计算式中。 定容加热循环的热效率为： 定容加热循环的平均压力为：,影响因素,4.理想循环的影响因素,（1）压缩比。提高,循环热效率t和平均压力pt提高。因为提高，可以提高压缩终了的温度和

16、压力，在定容加热量一定时，缸内最高压力提高，使膨胀功增加。 (2）压力升高比和预胀比。在定容加热循环中，压力升高比增加，循放加热量增加(在一定时)，使循环净功W0和循环放热量Q2均相应增加, 所以循环热效率不变，但循环平均压力提高；在混合加热循环中(在和总加热量一定时) ，提高，预胀比减小，循环热效率和平均压力提高。 （3）绝热指数k。在一定时，k增加，循环热效率提高；混合气浓度增加，循环平均压力提高。 （4）进气终了的压力p1。在其它参数一定时，p1提高，汽缸内的最高温度和压力都提高，所以循环平均压力也提高。,三、实际循环与理想循环的差别,（1）实际气体存在的损失wk。 （2）泵气损失wr。

17、 （3）提前排气损失w。 （4）非瞬时燃烧损失wz。 （5）传热损失wb 。 （6）运动摩擦和不完全燃烧等损失。 结论：实际循环的热效率低于理论循环。,实际循环与理想循环的差别,一、指示性能指标 二、有效性能指标 三、发动机其他性能评定,第五节发动机的性能指标,指示性能指标是以汽缸内工质对活塞所做的有用功为基础的性能指标，只能评定发动机实际工作循环进行的质量好坏。 1.平均指示压力 2.指示功率 3.指示燃油消耗率 4.指示热效率,一、指示性能指标,平均指示压力:指单位汽缸工作容积在每一循环中所做的指示功，用符号pi来表示。 发动机每循环做功的多少与汽缸工作容积 有关，所以用平均指示压力能更准

18、确地评 定发动机循环动力性的好坏。,1.平均指示压力,指示功率:指发动机在单位时间内所做的全部指示功，用Pi来表示，单位为W、kW。,2.指示功率,指示燃油消耗率:指单位指示功的耗油量，又称指示比油耗，用gi来表示，单位为g/kWh。 式中：Pi -指示功率，kW； GT-每小时耗油量，kg/h。,3指示燃油消耗率,指示热效率:指发动机实际循环指示功与所消耗燃料的热量之比。,4指示热效率,有效性能指标是以发动机输出轴上输出的功率为基础的性能指标，能够评定整机工作性能的好坏。 1.有效功率 2.有效转矩 3.平均有效压力 4.升功率、比质量、强化系数 5.有效燃油消耗率 6.有效热效率,二、有效

19、性能指标,有效功率是指发动机输出轴上输出的功率，用Pe表示，单位为W或kW。 Pe= PiPm 机械损失功率主要包括摩擦损失、驱动附件的损失和泵气损失。 机械损失功率和有效功率可通过发动机实验测得。,1.有效功率,有效扭矩是指发动机输出轴上输出的转矩，用符号Me表示，单位是Nm。 式中：Me有效转矩，Nm； n 发动机转速，r/min。,2有效扭矩,平均有效压力是指单位汽缸工作容积所输出的有效功，用符号pe来表示，单位为Pa或kPa。,3平均有效压力,1）升功率（PL ）：指在标定工况下，每升汽缸工作容积所发出的有效功率 ，单位为kW/L。 2）比质量（me ）：指发动机的净质量与有效功率的比

20、值，单位是kg/kW。 3）强化系数：指平均有效压力pe与活塞平均速度Cm的乘积。,4升功率、比重量和强化系数,有效燃油消耗率:指单位有效功的的燃油消耗量，又称有效比油耗，用ge来表示，常用单位为g/kWh。 式中：Pe-有效功率，kW； GT-每小时耗油量，kg/h。,5有效燃油消耗率,有效热效率:指发动机实际循环有效功与所消耗热量之比。,6有效热效率,1排放性能:有害气体、颗粒（指发动机排出的除水以外任何液态和固态微粒）。 2噪声：我国噪声标准中规定轿车噪声不得大于84dB 。 3冷起动性能：指发动机在低温条件下起动的可靠性，它直接影响发动机的燃料经济性、使用寿命和驾驶员的劳动强度等。我国

21、标准规定，不采用特殊的低温起动措施，汽油机在10、柴油机在5以下的气温条件下，接通起动机，15 s内发动机应能顺利起动。,三、发动机其它性能,一、机械效率 二、机械损失的组成及测定 三、影响机械效率的因素,第六节发动机的机械效率,机械效率是指曲轴输出的有效功（或功率）与指示功（或功率）的比值，用符号m表示 。 根据机械效率、有效热效率和指示热效率的定义式，可得三者之间的关系 : 由有效燃油消耗率和有效热效率的关系式可得 :,一、机械效率,机械损失的组成：摩擦损失、驱动附件损失、泵气损失。 机械损失的测定(倒拖法) ：将发动机与电力测功机相连，电力测功机测定的倒拖功率即机械损失功率。,二、机械损失的组成及测定,1点火提前角或供油提前角 2发动机转速 3发动机负荷 4润滑油粘度 5发动机工作温度 6发动机的技术状况,三、影响机械效率的主要因素,提前角过大，由于提前燃烧的损失增加(压缩消耗功增加)，使循环指示功减少；同时也会增加缸内最高压力，使活塞侧压力和轴承负荷增大，摩擦损失增加，使机械效率降低。 提前角过小，使后燃损失（上止点后的燃烧损失）增加，循环指示功也减少；虽然最高燃烧压力下降, 机械损失减少，但比例小，所以机械效率也下降。 最佳的提前角应根据转速和负荷合理选择。,1点