工学发动机原理课件-第一章-工程热力学基础

汽车发动机原理汽车发动机原理1课程概述一、课程的性质和任务

1、研究发动机的性能评价（性能指标）和基本工作过程（换气、混合气形成、燃烧），发动机特性、增压等，发动机平衡、排气污染与噪声。2、分析影响发动机性能的因素。3、找出提高发动机性能的一般规律。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。课程概述一、课程的性质和任务2三、课程主要内容课程的主要内容分两部分：

《工程热力学基础知识》-必要的理论基础

《汽车发动机原理》主要内容包括：工程热力学基础、发动机实际循环和性能指标、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、发动机增压与中冷技术等。三、课程主要内容3三、课程的特点、要求、学时分配、考核特点:本课程理论性较强，课堂上的讲授以理论分析和推导为主，配有实验环节。要求:课上集中精力，做好笔记，课下及时复习，完成作业。重点在于理解，主要章节要熟练掌握。学时分配：总学时32，其中实验4学时考核：本课程为考试课，平时10%；实验10%；考试80%。参考书：1.《汽车发动机原理》（第二版）陈培陵主编人民交通出版社20032.《内燃机学》周龙保主编机械工业出版社2003三、课程的特点、要求、学时分配、考核4第一章工程热力学基础热力学是研究能量（热能）性质和转换规律的科学。工程热力学是其最早发展的一个分支。本章主要内容：1、热力状态、热力过程、参数2、热力学的基本定理：热力学第一定理和第二定理。2、典型热力过程和热力循环。3、发动机的理想循环。第一章工程热力学基础热力学是研究能量（热能）性质和转换规律5第一节气体的状态及状态方程

重点掌握：

1、基本概念：热力系统、工质、热力状态、理想气体等；2、热力系统分类；3、P-V图。第一节气体的状态及状态方程重点掌握：6一、热力系统1、定义：在热力学中，把某一宏观尺寸范围内的工质体为研究的具体对象，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。一、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7二、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。（具有均匀一致的P、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(ν)、温度(T)。主要状态参数：压力P、比容ν、温度T、内能Ｕ、熵Ｓ、焓Ｈ。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8三、基本状态参数1、比容：用ν表示，单位是m3/kg。定义：单位质量的物质所占的容积。即：ν=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（Ｔ↑气体分子的平均动能越大）三、基本状态参数1、比容：用ν表示，单位是m3/kg。压力9四、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：

Pν=RTPV=mRTV=mν

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。四、理想气体的状态方程气体的状态也可用P-V图上的一个10第二节热力过程及过程量

重点掌握：

1、基本概念：热力过程、膨胀功、热量、熵；2、热力状态参数与热力过程参数的区分与联系；3、膨胀功、热量的计算，正负的规定；4、T-S图。第二节热力过程及过程量重点掌握：11膨胀功的计算：δW=Fdx=APdx=PdV

W12=∫12PdV对单位质量的工质：w12=W/m=∫12PdV/m=∫12Pdν※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Ｗ（Ｊ）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）膨胀功的计算：δW=Fdx=APdx=PdV一、热力过程12由δW=PdV得：dV>0，膨胀,δW>0，系统对外界做功；dV<0，压缩,δW<0，外界对系统做功；dV=0，δW=0，系统与外界之间无功量传递。膨胀,W>0压缩,W<0※可逆过程是无摩擦、无温差传热的平衡过程，是实际过程的理想极限。规定：系统对外界做功为正，外界对系统做功为负由δW=PdV得：膨13三、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。三、热量14四.熵和温熵图熵S的增量等于系统在可逆过程（温差无穷小）中交换热量除以传热时绝对温度的商：

ds=δq/T1Kg工质的熵的单位J/kgKmKg工质熵的单位Ｊ/K※比容ν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（导出量）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<0四.熵和温熵图※比容ν的变化量标志着有无做功，熵s的变化量标15第三节热力学第一定律

重点掌握：

1、热力学第一定律的表述；2、内能与温度的关系；3、闭口系统能量方程；3、理想气体内能的计算。第二讲第三节热力学第一定律重点掌握：第二讲16一、热力学第一定律定义：当热能与其它形式的能量相互转换时，能的总量保持不变。＊可表述为：不花费任何能量就产生功的第一类永动机是不存在的。＊可表述为：对于任何一个热力系统：

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。一、热力学第一定律17二、内能（U）-工质内部所具有的各种能量总称

系统本身所具有的能量包括：宏观能量包括：微观能量即系统的内能，包括：动能位能：机械能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。二、内能（U）-工质内部所具有的各种能量总称宏观能量包括：微18三、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=ΔU故Q=ΔU+W对于微元过程：δQ=dU+δW对于1kg工质：q=Δu+w

（Ｊ/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。三、闭口系统的能量方程故Q=ΔU+W对于微元过程：δQ=dU19四、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（即：单位质量的物质作单位温度变化时吸/放的热量）

四、理想气体的比热202、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cν表示。＊绝热指数：K=cP/cν3、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）。2、比热与过程的关系21五、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：

由于c=dq/dT→dq=cdT→q=∫12cdT

→q=c(T2-T1)故：对于定容过程：qν=cν(T2-T1)推出：Δu=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，由热力学第一定律：q=w+Δu五、理想气体内能的计算推出：Δu=cv(T2-T1)※内能是22第四节理想气体的热力过程

重点掌握：1、典型热力过程的过程量的计算；2、典型热力过程在P-V图和T-S上的表示；3、典型热力过程在P-V图上的比较；4、多变过程的概念。第四节理想气体的热力过程重点掌握：23概述

工程热力学把热机循环概括为工质的热力循环，热力循环可分成几个典型的热力过程进行分析，在此基础上总结出整个热力循环的热功转换规律。典型的热力过程：定容、定压、定温和绝热—称为基本热力过程热力过程分析一般方法：研究理想气体的可逆过程，导出过程方程，按热力学第一定律计算热量、内能和功，然后引入经验修正系数，换算成实际气体的不可逆过程。※可逆过程：若状态1经历平衡过程到状态2，并对外做功；若外界施加同样的压缩功，偱原过程曲线回到状态1，且外界恢复到原状态。※可逆过程是无摩擦、无温差的内平衡过程，是无任何损失的理想过程。概述24一、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：ν=常数3、参数间的关系：P1/P2=T1/T2,

P1/T1=P2/T24、过程量的计算：由W12=∫12PdV，且dV=0

→

w=0→q=Δu即：加入工质的热量全部转变为工质的内能。又q=Δu+w，

q=qν=Δu

=cν(T2-T1)由PV=RT

知，P/T=常数，所以：一、定容过程P1/P2=T1/T2,P1/T1=P2/T2255、过程曲线等容加热温度升高等容放热温度降低２’２5、过程曲线等容加热等容放热２’２26二、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ν/T=常数

ν1/T1=ν2/T2ν1/ν2=T1/T24、过程量的计算：qp=cp(T2-T1)w=∫12Pdν=P(ν2-ν1)又

Δu

=cν(T2-T1)

由热力学第一定律：qp=Δu+w=Δu+∫12Pdν=Δu+∫12RdT=Δu+R(T2-T1)cp(T2-T1)=cν(T2-T1)+R(T2-T1)得:cp=cν+R

—迈耶公式另外：

cp/cν=k—绝热指数二、定压过程P=常数3、参数间的关系：由ν/T=常数ν1/275、过程曲线等压加热对外做功温度升高21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）。5、过程曲线等压加热21等压放热2’★T-s图上，等压曲线要28三、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：

Pν=RT=常数P1ν1=P2ν2

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。三、定温过程P1ν1=P2ν24、过程量的计算：T=295、过程曲线等温压缩对外放热等温膨胀吸热22’5、过程曲线等温压缩等温膨胀22’30四、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/cν：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=T1εk-14、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。四、绝热过程K=cp/cν：绝热指数3、参数间的关系：由315、过程曲线绝热压缩温度升高绝热膨胀温度降低5、过程曲线绝热压缩绝热膨胀32

五、多变过程

在实际的热力过程中，P、ν、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=常数五、多变过程n:多变指数。等压过程；n=1,Pv=常数332、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=1n=kn=nW<0W＞0※

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＞１2、各过程在P-v等压线:压力升高部分等容线:膨胀部分等温线34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、概念与公式：热力循环、热力循环的热效率；3、热机循环热效率；4、卡诺循环热力过程组成及其热效率。第三讲第五节热力学第二定律重点掌握：第三讲35一、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—克劳修斯（德）提出。

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（第二类永动机），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，即一个热力过程能否发生，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。一、热力学第二定律的表述36二、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）二、热力循环371、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-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1、循环净功量1-2-3-4-1：顺时针进行的热力过程，过程38定义：循环净功与从高温热源吸收热量的比值ηT=W/Q1=(Q1-Q2)/Q1=1-Q2/Q1

W: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。2、热机循环的热效率定义：循环净功与从高温热源吸收热量的比值2、热机循环的热效率39三、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。三、卡诺循环（最理想的热机循环）卡诺循环的热效率：1、卡诺循402、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、当无论什么工质和循环，在一定温度范围T1到T2时之间，不可能制造出热效率超过1-T2/T1的热机。即最高热效率只能接近1-T2/T1。※这几条结论具有普遍性,适用于一切热机。2、卡诺循环的热效率永远小于1。41四、卡诺定理

在两个不同定温热源间工作的任何热机的热效率，不可能大于在同样两个热源间工作的可逆热机的热效率。

推论：

1、一切可逆热机的热效率彼此相等且等于卡诺热机的热效率，不可逆热机的热效率小于可逆热机的热效率。

2、在内燃机上，如果排气温度过高，则内燃机的热效率下降；提高压缩比，使T1升高，则内燃机的热效率升高。四、卡诺定理42第六节活塞式内燃机的理想循环重点掌握：1、车用发动机的理想循环各是什么；2、理想循环各由哪些过程组成；3、影响理想循环热效率的因素；4、车用发动机理想循环的比较。第六节活塞式内燃机的理想循环重点掌握：43概述

为便于定量分析内燃机的实际工作过程，将内燃机的某个循环的各个实际过程全部抽象的概括为若干个可逆过程，这样得到的一个闭合循环，称为理想循环。

理想化的原则及方法（假设）：1、工质为理想气体，比热为定值；2、工质在闭口系统中经历的状态变化为一闭合循环；2、工质的数量和化学成分始终不变；3、组成各循环的过程都是可逆的；4、工质压缩和膨胀为绝热，燃烧为定压或定容，放热为定容。概述44一、内燃机的理想循环1、内燃机的实际循环进气：0~1’压缩：1~2’燃烧：2’~3’膨胀：3’~4’排气：4’~0一、内燃机的理想循环进气：0~1’452、汽油机的理想循环1-2的压缩过程—绝热压缩；2-3的燃烧过程—等容加热；3-4的膨胀过程—绝热膨胀；4-1的排气过程—等容放热。等容加热循环的热效率：

ηt=1-1/εk-1ε--压缩比；k--绝热指数。—等容加热(奥托)循环Q2Q12、汽油机的理想循环1-2的压缩过程—绝热压缩；等容加热循环463、车用柴油机的理想循环—混合加热(萨巴德)循环混合加热循环的热效率:1-2的压缩过程—绝热压缩；2-3的燃烧过程—等容加热；3-4的燃烧过程—等压加热；4-5的膨胀过程—绝热膨胀；5-1的排气过程—等容放热。ε=V1/V2--压缩比,λ=P3/P2

--压力升高比，ρ=V4/V3--预胀比，k

--绝热指数。δ=V5/V4–后胀比Q1’Q1’’3、车用柴油机的理想循环—混合加热(萨巴德)循环混合加热循环474、低速柴油机的理想循环—等压加热(狄赛尔)循环1-2的压缩过程—绝热压缩2-3的燃烧过程—等压加热3-4的膨胀过程—绝热膨胀4-1的排气过程—等容放热等容加热循环的热效率：4、低速柴油机的理想循环—等压加热(狄赛尔)循环1-2的压缩48二、影响内燃机理想循环的主要因素**

分析循环的主要目的是找出影响循环热效率的因素，找到提高热效率的途径。常用的方法有：

1、解析法：从循环热效率的公式出发进行分析。2、图示法：由P—V图、T—S图入手分析。二、影响内燃机理想循环的主要因素**491、压缩比的影响

压缩比对上述三种理想循环的影响是相同的。由热效率的公式：ε→循环平均吸热温度，而循环平均放热温度↓→循环温差

→膨胀比→

ηt

1、压缩比的影响压缩比对上述三种理想循环的影响是相同的。50当压缩比较小时，热效率随压缩比的增加显著增大；当压缩比较大时，热效率随压缩比的增加增大较少。如图为定容加热循环热效率随压缩比变化的情况:低速柴油机：=16～22高速柴油机：=14～20汽油机：=8～12当压缩比较小时，热效率随压缩比的增加显著增大；当压缩比较大时512、K的影响

由公式看出，K↑→

ηT↑＊混合气稀,K较大。＊K取决于工质的性质:

双原子气体为1.4；多原子为1.33.＊理想循环，比热为定值，Ｋ也为定值。2、K的影响523、λ的影响(1)对定容加热循环，λ↑→ηT不变因为λ↑则Q1↑和Q2↑→Q2/Q1不变。(2)对混合加热循环，λ↑→ηT↑Q1不变，λ↑值增大

→Q1v↑，则Q1p↓

→Q2↓

→循环的热效率↑3、λ的影响534、ρ的影响（1）等容加热循环

ρ=1，无影响（2）等压加热循环

ρ↑→ηT↓。(ρ↑→

Q2↑)（3）混合加热循环

ρ↑→ηT↓

4、ρ的影响54比较图中各循环加热过程所对应的面积，得出：

Q2p>Q2m>Q2v所以：

ηtv>ηtm>ηtp三、活塞式内燃机理想循环的比较1、在等压缩比ε

、等加热量Q1条件下比较图中各循环加热过程所对应的面积，三、活塞式内燃机理想循环552、循环的最高温度、最高压力相同，Q2相同下在T-S图上比较三种循环的加热量和放热量，可以看出：Q1p>Q1m>Q1v所以：ηtp>ηtm>ηtv

实际内燃机中，由于压缩比选取的不同，有：ηtm

>ηtp>ηtv2、循环的最高温度、最高压力相同，Q2相同下在T-S图上比较56第三讲思考题：1.热力学第二定律如何表述？2.什么是循环净功？热机的循环热效率ηt？3.卡诺循环由哪几个热力过程组成？4.汽油机与车用柴油机的理想循环是什么循环？它们有哪些过程组成？5.ε

、K、λ、ρ对ηt有何影响？6.在压缩比、加热量相同的情况下，三种理想循环哪种热效率高？第三讲思考题：57热力系统的分类

（据界面上物质和能力交换的情况分）

闭口系统：与外界无质量交换的系统；开口系统：与外界有质量交换的系统；绝热系统：与外界无热量交换的系统；孤立系统：与外界即无质量交换，又无热量交换的系统。热力系统的分类

（据界面上物质和能力交换的情况分）闭口系58压力的测量当系统的压力高于大气压力时，用压力表测量。P=Pb+PgP:系统压力（绝对压力）；Pb:大气压力；Pg:表压力（压力表读数）。压力的测量当系统的压力高于大气压力时，P=Pb+Pg59压力的测量当系统的压力低于大气压力时，用真空表测量。P=Pb-Pv

Pv：真空表读数。※由于表压力和真空度随大气压力的变化而变化，所以只有绝对压力才能作为系统的状态参数。压力的测量当系统的压力低于P=Pb-Pv※由于表压力和真空度60第一章复习思考题1、什么叫热力系统、闭口系统、绝热系统？2、什么叫工质、状态、状态参数、基本状态参数？基本状态参数有哪些？单位如何？3、什么是理想气体？其状态方程有哪几种形式？4、P-V图上的一点、一条曲线、曲线下面所包围的面积表示什么？5、膨胀功如何计算，其正负各表示什么？6、能否说物质的温度越高，其所具有的热量越多7、什么叫热容量、比热？其单位如何？8、热力学第一定律如何表述？闭口系统能量方程式的形式如何？。第一章复习思考题619、什么是定容、定压、定温、绝热过程？它们的过程方程式是什么样的？在P-V图上做出它们的过程曲线。10、多变过程中，多变指数n为多少时，过程分别为定容、定温、定压、绝热过程？11、系统经历一个膨胀、压力降低、吸收热量、温度下降的过程，确定n的范围。12、热力学第二定律如何表述？13、什么是热机的循环热效率ηt？14、汽油机与车用柴油机的理想循环是什么循环？它们有哪些过程组成？15、压缩比、加热量对ηt有何影响？在压缩比、加热量相同的情况下，三种理想循环哪种热效率高？9、什么是定容、定压、定温、绝热过程？它们的过程方程式是什么62汽车发动机原理汽车发动机原理63课程概述一、课程的性质和任务

1、研究发动机的性能评价（性能指标）和基本工作过程（换气、混合气形成、燃烧），发动机特性、增压等，发动机平衡、排气污染与噪声。2、分析影响发动机性能的因素。3、找出提高发动机性能的一般规律。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。课程概述一、课程的性质和任务64三、课程主要内容课程的主要内容分两部分：

《工程热力学基础知识》-必要的理论基础

《汽车发动机原理》主要内容包括：工程热力学基础、发动机实际循环和性能指标、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、发动机增压与中冷技术等。三、课程主要内容65三、课程的特点、要求、学时分配、考核特点:本课程理论性较强，课堂上的讲授以理论分析和推导为主，配有实验环节。要求:课上集中精力，做好笔记，课下及时复习，完成作业。重点在于理解，主要章节要熟练掌握。学时分配：总学时32，其中实验4学时考核：本课程为考试课，平时10%；实验10%；考试80%。参考书：1.《汽车发动机原理》（第二版）陈培陵主编人民交通出版社20032.《内燃机学》周龙保主编机械工业出版社2003三、课程的特点、要求、学时分配、考核66第一章工程热力学基础热力学是研究能量（热能）性质和转换规律的科学。工程热力学是其最早发展的一个分支。本章主要内容：1、热力状态、热力过程、参数2、热力学的基本定理：热力学第一定理和第二定理。2、典型热力过程和热力循环。3、发动机的理想循环。第一章工程热力学基础热力学是研究能量（热能）性质和转换规律67第一节气体的状态及状态方程

重点掌握：

1、基本概念：热力系统、工质、热力状态、理想气体等；2、热力系统分类；3、P-V图。第一节气体的状态及状态方程重点掌握：68一、热力系统1、定义：在热力学中，把某一宏观尺寸范围内的工质体为研究的具体对象，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。一、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69二、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。（具有均匀一致的P、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(ν)、温度(T)。主要状态参数：压力P、比容ν、温度T、内能Ｕ、熵Ｓ、焓Ｈ。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70三、基本状态参数1、比容：用ν表示，单位是m3/kg。定义：单位质量的物质所占的容积。即：ν=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（Ｔ↑气体分子的平均动能越大）三、基本状态参数1、比容：用ν表示，单位是m3/kg。压力71四、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：

Pν=RTPV=mRTV=mν

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。四、理想气体的状态方程气体的状态也可用P-V图上的一个72第二节热力过程及过程量

重点掌握：

1、基本概念：热力过程、膨胀功、热量、熵；2、热力状态参数与热力过程参数的区分与联系；3、膨胀功、热量的计算，正负的规定；4、T-S图。第二节热力过程及过程量重点掌握：73膨胀功的计算：δW=Fdx=APdx=PdV

W12=∫12PdV对单位质量的工质：w12=W/m=∫12PdV/m=∫12Pdν※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Ｗ（Ｊ）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）膨胀功的计算：δW=Fdx=APdx=PdV一、热力过程74由δW=PdV得：dV>0，膨胀,δW>0，系统对外界做功；dV<0，压缩,δW<0，外界对系统做功；dV=0，δW=0，系统与外界之间无功量传递。膨胀,W>0压缩,W<0※可逆过程是无摩擦、无温差传热的平衡过程，是实际过程的理想极限。规定：系统对外界做功为正，外界对系统做功为负由δW=PdV得：膨75三、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。三、热量76四.熵和温熵图熵S的增量等于系统在可逆过程（温差无穷小）中交换热量除以传热时绝对温度的商：

ds=δq/T1Kg工质的熵的单位J/kgKmKg工质熵的单位Ｊ/K※比容ν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（导出量）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<0四.熵和温熵图※比容ν的变化量标志着有无做功，熵s的变化量标77第三节热力学第一定律

重点掌握：

1、热力学第一定律的表述；2、内能与温度的关系；3、闭口系统能量方程；3、理想气体内能的计算。第二讲第三节热力学第一定律重点掌握：第二讲78一、热力学第一定律定义：当热能与其它形式的能量相互转换时，能的总量保持不变。＊可表述为：不花费任何能量就产生功的第一类永动机是不存在的。＊可表述为：对于任何一个热力系统：

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。一、热力学第一定律79二、内能（U）-工质内部所具有的各种能量总称

系统本身所具有的能量包括：宏观能量包括：微观能量即系统的内能，包括：动能位能：机械能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。二、内能（U）-工质内部所具有的各种能量总称宏观能量包括：微80三、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=ΔU故Q=ΔU+W对于微元过程：δQ=dU+δW对于1kg工质：q=Δu+w

（Ｊ/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。三、闭口系统的能量方程故Q=ΔU+W对于微元过程：δQ=dU81四、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（即：单位质量的物质作单位温度变化时吸/放的热量）

四、理想气体的比热822、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cν表示。＊绝热指数：K=cP/cν3、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）。2、比热与过程的关系83五、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：

由于c=dq/dT→dq=cdT→q=∫12cdT

→q=c(T2-T1)故：对于定容过程：qν=cν(T2-T1)推出：Δu=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，由热力学第一定律：q=w+Δu五、理想气体内能的计算推出：Δu=cv(T2-T1)※内能是84第四节理想气体的热力过程

重点掌握：1、典型热力过程的过程量的计算；2、典型热力过程在P-V图和T-S上的表示；3、典型热力过程在P-V图上的比较；4、多变过程的概念。第四节理想气体的热力过程重点掌握：85概述

工程热力学把热机循环概括为工质的热力循环，热力循环可分成几个典型的热力过程进行分析，在此基础上总结出整个热力循环的热功转换规律。典型的热力过程：定容、定压、定温和绝热—称为基本热力过程热力过程分析一般方法：研究理想气体的可逆过程，导出过程方程，按热力学第一定律计算热量、内能和功，然后引入经验修正系数，换算成实际气体的不可逆过程。※可逆过程：若状态1经历平衡过程到状态2，并对外做功；若外界施加同样的压缩功，偱原过程曲线回到状态1，且外界恢复到原状态。※可逆过程是无摩擦、无温差的内平衡过程，是无任何损失的理想过程。概述86一、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：ν=常数3、参数间的关系：P1/P2=T1/T2,

P1/T1=P2/T24、过程量的计算：由W12=∫12PdV，且dV=0

→

w=0→q=Δu即：加入工质的热量全部转变为工质的内能。又q=Δu+w，

q=qν=Δu

=cν(T2-T1)由PV=RT

知，P/T=常数，所以：一、定容过程P1/P2=T1/T2,P1/T1=P2/T2875、过程曲线等容加热温度升高等容放热温度降低２’２5、过程曲线等容加热等容放热２’２88二、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ν/T=常数

ν1/T1=ν2/T2ν1/ν2=T1/T24、过程量的计算：qp=cp(T2-T1)w=∫12Pdν=P(ν2-ν1)又

Δu

=cν(T2-T1)

由热力学第一定律：qp=Δu+w=Δu+∫12Pdν=Δu+∫12RdT=Δu+R(T2-T1)cp(T2-T1)=cν(T2-T1)+R(T2-T1)得:cp=cν+R

—迈耶公式另外：

cp/cν=k—绝热指数二、定压过程P=常数3、参数间的关系：由ν/T=常数ν1/895、过程曲线等压加热对外做功温度升高21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）。5、过程曲线等压加热21等压放热2’★T-s图上，等压曲线要90三、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：

Pν=RT=常数P1ν1=P2ν2

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。三、定温过程P1ν1=P2ν24、过程量的计算：T=915、过程曲线等温压缩对外放热等温膨胀吸热22’5、过程曲线等温压缩等温膨胀22’92四、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/cν：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=T1εk-14、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。四、绝热过程K=cp/cν：绝热指数3、参数间的关系：由935、过程曲线绝热压缩温度升高绝热膨胀温度降低5、过程曲线绝热压缩绝热膨胀94

五、多变过程

在实际的热力过程中，P、ν、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=常数五、多变过程n:多变指数。等压过程；n=1,Pv=常数952、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=1n=kn=nW<0W＞0※

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＞１2、各过程在P-v等压线:压力升高部分等容线:膨胀部分等温线96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、概念与公式：热力循环、热力循环的热效率；3、热机循环热效率；4、卡诺循环热力过程组成及其热效率。第三讲第五节热力学第二定律重点掌握：第三讲97一、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—克劳修斯（德）提出。

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（第二类永动机），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，即一个热力过程能否发生，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。一、热力学第二定律的表述98二、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）二、热力循环991、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-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1、循环净功量1-2-3-4-1：顺时针进行的热力过程，过程100定义：循环净功与从高温热源吸收热量的比值ηT=W/Q1=(Q1-Q2)/Q1=1-Q2/Q1

W: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。2、热机循环的热效率定义：循环净功与从高温热源吸收热量的比值2、热机循环的热效率101三、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。三、卡诺循环（最理想的热机循环）卡诺循环的热效率：1、卡诺循1022、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、当无论什么工质和循环，在一定温度范围T1到T2时之间，不可能制造出热效率超过1-T2/T1的热机。即最高热效率只能接近1-T2/T1。※这几条结论具有普遍性,适用于一切热机。2、卡诺循环的热效率永远小于1。103四、卡诺定理

在两个不同定温热源间工作的任何热机的热效率，不可能大于在同样两个热源间工作的可逆热机的热效率。

推论：

1、一切可逆热机的热效率彼此相等且等于卡诺热机的热效率，不可逆热机的热效率小于可逆热机的热效率。

2、在内燃机上，如果排气温度过高，则内燃机的热效率下降；提高压缩比，使T1升高，则内燃机的热效率升高。四、卡诺定理104第六节活塞式内燃机的理想循环重点掌握：1、车用发动机的理想循环各是什么；2、理想循环各由哪些过程组成；3、影响理想循环热效率的因素；4、车用发动机理想循环的比较。第六节活塞式内燃机的理想循环重点掌握：105概述

为便于定量分析内燃机的实际工作过程，将内燃机的某个循环的各个实际过程全部抽象的概括为若干个可逆过程，这样得到的一个闭合循环，称为理想循环。

理想化的原则及方法（假设）：1、工质为理想气体，比热为定值；2、工质在闭口系统中经历的状态变化为一闭合循环；2、工质的数量和化学成分始终不变；3、组成各循环的过程都是可逆的；4、工质压缩和膨胀为绝热，燃烧为定压或定容，放热为定容。概述106一、内燃机的理想循环1、内燃机的实际循环进气：0~1’压缩：1~2’燃烧：2’~3’膨胀：3’~4’排气：4’~0一、内燃机的理想循环进气：0~1’1072、汽油机的理想循环1-2的压缩过程—绝热压缩；2-3的燃烧过程—等容加热；3-4的膨胀过程—绝热膨胀；4-1的排气过程—等容放热。等容加热循环的热效率：

ηt=1-1/εk-1ε--压缩比；k--绝热指数。—等容加热(奥托)循环Q2Q12、汽油机的理想循环1-2的压缩过程—绝热压缩；等容加热循环1083、车用柴油机的理想循环—混合加热(萨巴德)循环混合加热循环的热效率:1-2的压缩过程—绝热压缩；2-3的燃烧过程—等容加热；3-4的燃烧过程—等压加热；4-5的膨胀过程—绝热膨胀；5-1的排气过程—等容放热。ε=V1/V2--压缩比,λ=P3/P2

--压力升高比，ρ=V4/V3--预胀比，k

--绝热指数。δ=V5/V4–后胀比Q1’Q1’’3、车用柴油机的理想循环—混合加热(萨巴德)循环混合加热循环1094、低速柴油机的理想循环—等压加热(狄赛尔)循环1-2的压缩过程—绝热压缩2-3的燃烧过程—等压加热3-4的膨胀过程—绝热膨胀4-1的排气过程—等容放