汽车发动机原理

Speaker:LinYing学院、系室：交通学院交通工程系专业、年级、班级：交通运输08级（1）（2）主讲教师：丁艺教授《发动机原理》

福建农林大学2010年08月1132内燃机的循环发动机性能指标34发动机的换气过程发动机的燃烧过程5发动机的特性工程热力学基础知识36汽车是现代交通运输的主要工具之一。汽车运输具有机动、灵活、快速、换装少、货损少、效率高、效益高的特点。汽车与国民经济发展紧密相连、与人民日常生活密切相关。汽车工业是机械电子工业的一个重要组成部分，也是一个综合性的工业部门和技术密集行业。在一定程度上，一个国家的汽车工业代表了这个国家的工业发达水平。发动机是汽车的心脏，《汽车发动机原理》是交通运输（汽车运用工程）专业的必修课程。绪论

概述《汽车发动机原理》以发动机性能为主要研究对象，把合理组织工作过程，提高整机性能作为主要内容，通过分析各工作过程中影响性能指标的诸多因素，从中找到提高汽车发动机性能指标的一般规律。本课程的任务是研究汽车发动机的工作过程及整机性能，使学生掌握发动机实际工作过程的分析方法及性能指标与各工作过程的内在联系；掌握性能实验的基本方法以及数据处理与分析；了解影响整机性能的基本途径，为从事汽车发动机的管理、使用、维护与修理提供理论基础。绪论

绪论

发动机：将某种形式的能量转化为机械（Engine）能的一种机器。组件式GIS技术

空间数据挖掘技术GIS与数据挖掘集成技术绪论

发动机（狭义）：主要制用于可移动的交通工具或可移动的机械设备上的动力装置。如航空发动机、船舶、汽车、拖拉机……现代汽车发动机（AutomotiveEngine）多为往复式的内燃机。绪论

内燃机：将燃料在气缸内燃烧，使其热能直接转化为机械能的机器。

往复活塞式发动机(ReciprocatingPistonEngine)：活塞在气缸中作往复运动的发动机。

蒸汽机和目前大多内燃机都是往复活塞式发动机。现代汽车发动机如果不加特别说明，一般都是往复活塞式发动机。现代汽车用发动机的燃料有汽油、柴油、酒精和液化石油气等。但目前广泛使用的还是汽油和柴油。

绪论

该门课程主要内容及安排

主要内容：汽车发动机的实际工作过程与性能指标；燃烧热化学与热计算；换气过程及燃烧过程的进行与使用因素的影响；发动机噪声及排放污染的形成机理与防止措施；主要特性（负荷特性、速度特性、万有特性）与制取方法及分析；车用发动机的废弃涡轮增压等。

基本要求：

(1)明确本课程的地位、性质、任务及主要研究对象；了解目前国内外研究水平及主要发展方向;(2)重点掌握发动机实际循环及指示指标、有效指标、机械效率的定义、计算与分析；明确实际循环的各项损失及减少损失的的基本途径;绪论

(3)明确换气过程的进行；重点掌握充气系数的概念及影响因素与提高充气系数的措施；了解进排气管内的动力效应;(4)熟悉汽油机及柴油机的混合气形成；掌握汽油机正常燃烧过程的特点与分期及不正常燃烧现象与形成机理；掌握柴油机燃烧过程的特点与分期；了解柴油不正常喷射发生的原因及消除措施；明确使用因素对燃烧过程的影响;(5)掌握发动机噪声及排放污染形成机理、测定方法与防治措施；明确使用因素对发动机噪声及排气中有害气体浓度的影响。(6)明确发动机特性的定义、基本分析式及研究意义；重点掌握负荷特性、速度特性、调速特性、万有特性曲线的制取方法与分析；掌握大气修正方法。了解车用发动机的废弃涡轮增压技术;绪论

安排：课堂教学30学时，其中含作业讲评、测验1次。

课程成绩评定：平时成绩（作业、测验）30%，期末考试成绩70%。

绪论

主要参考书汽车发动机原理（徐兆坤主编）清华大学出版社汽车发动机原理（张志沛主编）人民交通出版社汽车发动机原理（陈培陵主编）人民交通出版社汽车拖拉机发动机（武汉工学院董敬、庄志）中国农业机械出版社工程热力学（庞麓鸣）工程热力学（曾丹玲）工程热力学（沈维道）汽车构造（各种版本）《发动机原理》

2009-2010学年第一学期§1-4热力学第二定律

§1-3气体的主要热力过程§1-1气体的热力性质

第一章工程热力学基础知识§1-2热力学第一定律工程热力学基础知识§1-1气体的热力性质

一、气体的热力状态及其基本状态参数内燃机：燃料在机器内部燃烧的发动机（热能→机械能）。内燃机中，热能向机械能的转换是通过气体状态的变化来实现的。在气缸中，气体不断经历压缩、吸热、膨胀、放热等热力过程，气体的热力状态在不断发生变化。气态工质：气体——远离液态，不易液化的气态蒸气——刚由液态过渡过来或比较容易液化的气态内燃机的工质是气体（包括空气、燃气和烟气）。(一)

气体的热力状态

气体在任何一个瞬刻的状态就是它在该瞬刻所处的物理条件。(二)状态参数标志气体热力状态的物理量。每一个状态参数都是从某一方面来描写气体所处的状态。

工程热力学中常用的状态参数有6个：压力P比容V温度T内能U熵S焓H

基本状态参数（可直接测量、应用最多）

工程热力学基础知识工程热力学基础知识

温度T：Temperature

温度表示气体的冷热程度。也就是气体分子热运动的强弱程度。与大量分子平均移动能的大小成正比。

其中：——比例系数

m——分子的质量

——分子直线运动的均方根速度是国际单位制SI中基本单位温度是用以确定一个系统是否与另一个系统处于热平衡的一个热力学状态参数。工程热力学基础知识温标：（测量温度的标尺）（1）绝对温标T°K，单位是“开尔文”，代号K，（也称热力学温度）。热力学温度将水的三相点作为273.16K（冰、水、汽三相同存的平衡状态称为水的三相点）。每一度的间隔为1/273.16，水的冰点为273.15K。（按分子运动学推算到分子热运动停止的状态，取为热力学温标0K，所以热力学温度不可能有负值）。

注：只有热力学温度才可作为状态参数

（2）摄氏温标

=-273

(——273.15K，水的冰点温度)一般工程计算中，取273K已足够精确;国际单位制SI容许使用摄氏温度t，并定义为，与t每一度间隔相等。工程热力学基础知识（3）朗肯温标

=1.8K

（4）华氏温标

=+459.67

工程热力学基础知识

压力P：

单位面积上所受的垂直作用力称为压力。根据分子运动论，气体的压力是大量分子向容器壁面撞击的平均结果。（统计量）单位：在国际单位制（SI）中，压力单位是“帕斯卡”，代号Pa（N/m2）成正比。

1KPa=103Pa1MPa=106Pa

(千帕)（兆帕）

在工程实际中，使用的压力单位有“标准大气压”，代号atm；及“巴”，代号bar；“工程大气压”，代号at(kgf/cm2)。

1atm=101325Pa=101.325KPa1bar=105Pa1个工程大气压1at(kgf/cm2)=98.067kPa压力的测量：气体的压力通常使用压力计或真空计测量。因为压力计读数是气体的真实压力与大气压力的差值，称为“表压力”，用P表（Pg）表示。气体的真实压力称“绝对压力”，用P绝（P）表示，大气压力用P0表示。①当P绝>P0时P绝=P0+P表（P=P0+Pg）②当P绝<P0时P绝=P0-P真（此时表压力是真空度）

注：此时表压力是负值，用真空度表示，代入上式时不随负号，仅取其数值,大气压力因地而异，即同一绝对压力的气体，其表压力也因地、因时而异，因此，只有绝对压力才能作为状态参数。工程热力学基础知识工程热力学基础知识

比容V：

一千克气体所占容积。（单位质量工质（物质）所占容积）。

其中：

——mkg气体总容积（m3）

——气体质量（kg）

密度ρ：单位容积内工质的质量

ρ=（kg/m3）=ρ=1

比容：单位质量物体所占的容积重度：（比重量）单位体积内重量ρ比重：单位物体的重量与4℃时水的重量之比或工程热力学基础知识二、工质及平衡态、热力系、热力过程

(一)

工质及其平衡态

工质：

工程热力学中，把实现热能与机械能相互转换的工作物质称为“工质”。

内燃机的工质是：空气和燃气。

空气具有：①好的流动性和膨胀性；（在相同温差或压差下，其膨胀比最大，因而能够更有效地做功）②气体热力性质最简单，可以简化为理想气体。工程热力学基础知识

平衡态：一个系统不受外界作用，系统内部不发生状态地任何改变，则称为该系统处于平衡状态。所谓外界作用，即是与外界的热、功、质的交换。①无不平衡力：力学平衡系统平衡状态条件：②无温度梯度：热平衡③无化学反应：扩散或溶解过程，化学平衡④无电位差：电平衡

即：当一个系统内的各部分的温度和压力处处相等，不随时间而变化，它是系统在没有外界作用的情况下可以长久保持的状态。这时系统各部分的状态均匀一致，每一个状态参数只有一个数值。

工程热力学基础知识(二)

热力系统

凡是人为划定的热力学研究对象叫“热力学系统”，亦称“热力系”、“系统”。与系统相关的称“外界”（与系统有相互作用的其它系统称为外界）。包围系统的封闭表面就是系统与外界的分界面，称为边界（或界面）。边界可以是真实的，也可以是假想的。

根据边界上物质和能量交换情况，热力系统可分为：

开口系统opensystem：

系统与外界不仅有功、热的交换，而且也有物质交换。（亦称控制体积controlvolume）如：燃气轮机。

闭口系统closedsystem：系统与外界可以有功、热的交换，但没有物质交换。（亦称控制质量controlmass）如：气缸。工程热力学基础知识

孤立系统Isolatedsystem：系统与外界不发生任何相互作用，如物质交换、热和功的传递。非孤立系统+相关的外界=孤立系统（这是一种处理方法，实际不存在）

绝热系统：系统与外界不进行热交换的系统。热力系的选择取决于研究目的和任务。工程热力学基础知识(三)

热力过程、准静态过程、可逆过程与不可逆过程（1）热力过程

系统在外界条件作用下，从某一状态变化到另一状态所经历的全部状态的总和。（曾丹玲：“热力系状态连续变化的过程叫做热力学过程）热力学系统在外界条件作用下，任何一个状态参数发生变化时，这个系统的工质从一个状态经过一系列的中间状态变至另一个状态，称工质经历了一个热力过程。循环：热力系统初始状态和终了状态相同称热力系统经过了一个循环（有正循环和逆循环）。（2）准静态过程（内平衡过程）在一个热力过程中，必定在系统内或系统与外界之间存在某种不平衡势，使系统的状态发生变化，如果这种不平衡势无限小，以致系统在任意时刻均无限接近于一个平衡态，这种的过程称为准静态过程。

工程热力学基础知识引入准静态过程的好处：可以用状态参数描述过程可以用状态方程进行必要的计算可以在参数坐标图上表示过程可以计算过程中系统与外界的功、热交换（3）参数坐标图上表示过程（只有准静态过程才能在图上表示出来，不平衡状态由于没有确定的热力状态参数，无法在图上表示）∵一个平衡态只有一组唯一的状态参数，并且在（P、V、T）三个状态参数之间存在内在的联系，三个状态参数之间只有两个是彼此独立的。因此，用任意两个参数就可以表明工质所处的状态。工程热力学基础知识∴我们只要用任意两个参数作为平面直角坐标图的纵、横坐标，构成参数坐标图，就可以清晰地表示工质所处地热力状态。图示法具有直观、简明、便于分析等优点。如果非准静态过程，在图上只能用虚线表示它从一个平衡点开始到另一个平衡点经历的过程，无法确定其真实过程。工程热力学基础知识（4）可逆过程与不可逆过程（是carnot在1796～1832引出的）

一个热力学系统沿某一过程曲线由状态1变为状态2后，若能沿着逆方向的同一曲线从状态2回到状态1，而不引起外界的变化，这个过程叫可逆过程。或：一个热力学系统经历一个过程，其结果是系统和外界的初态均可完全恢复而不留任何痕迹，此过程称为可逆过程。可逆过程：无摩擦、无温差的平衡过程。不可逆过程：有压差下的膨胀、有温差的传热；自发过程（均衡过程）；伴有摩擦存在的过程（耗散过程）摩擦扩散耗散效应渗透溶解涡流准静态过程≠可逆过程工程热力学基础知识

共同点：无限缓慢、无限接近平衡态。

差别：准静态过程要求工质内部平衡，不排斥耗散效应存在；可逆过程要求工质内部平衡，内外无耗散效应。

简单地说：可逆过程=准静态过程+无任何耗散效应。

系统在可逆过程中对外输出的功量等于准静功。因此，可以直接根据系统内部的参数来计算它。这在工程计算上将带来极大方便。可逆过程是没有任何损失的理想过程，实际的热力过程既不可能是绝对的平衡过程，又不可避免地会有摩擦。因此，可逆过程是实际过程地理想极限。今后我们所讨论的主要是可逆过程。工程热力学基础知识三、理想气体状态方程Idealgasequationofstate

理想气体是一种实际上不存在的假想气体。这种气体的分子是一些弹性的、不占体积的质点，分子之间也没有相互作用力。

引入理想气体概念，主要是为了研究问题方便。因为，如果考虑了气体的性质非常复杂，状态参数之间则是极其复杂的函数关系，使研究问题复杂。

气体的温度愈高、压力愈低时，气体比容愈大，气体离液态愈远。气体分子间的距离很大，与距离有关的分子之间的作用力就很小，分子本身体积相对气体分子运动所占有的空间也显得极为微小。这时，这些气体就可以作为理想气体处理。通常所见的气体o2、N2、H2、co、co2及空气等都作为理想气体看待，误差并不大，锅炉中所产生的水蒸汽离液态较近，一般不能作为理想气体处理。工程热力学基础知识

对于理想气体，在任何平衡状态下，其压力和比容的乘积与温度之比值应为一常量。即：

其中：P——气体绝对压力牛/米2（N/m2）V——气体比容米3/千克（m3/kg）或T——气体热力学温度开（K）（克拉贝龙状态方程式）

R——气体常数牛•米/千克•开（J/kg•k）（理想气体状态方程式）R值与气体种类有关，可查表得。∵不同种类的气体在同T、P下，其比容不相同。所以使得R值不同。R空——0.287KJ/kg•k；对于同一种气体，不论在什么状态下，R值恒为常量。所以在某一定状态时，气体得P、V、T中任意两个参数为已知，则第三个状态参数就可以由状态方程计算而得。

工程热力学基础知识另一方面，该式也说明了在一定状态时，已知两个独立参数就可以确定气体的状态。若气体得质量为m千克，将上式两边同乘以m得：

式中：为m千克气体所占总容积（米3）

阿伏加德罗定律指出，在同温、同压下，1摩尔的任何气体所占的容积相同。且由实验测得，在标准状态（压力为1个标准大气压，即1.01325×105帕（Pa），温度为0℃（273.15K）时）时，摩尔容积为：

=22.41410-3

米3/摩=22.414[标准m3/kmol]因此，若采用摩尔质量为度量气体质量的单位，则所有气体的气体常数相等了。

工程热力学基础知识令又因其中：——摩尔容积（m3/mol）则，上式得——摩尔质量（千克/摩）（kg/mol）

——通用气体常数=8.3143[J/mol]或[]将、、值代入式可得对于n摩尔气体的状态方程为：将、、值代入式可得

工程热力学基础知识四、工质的比热在工程中，热量的计算常常利用比热比热：单位量的物质作单位温度变化时所吸收或放出的热量。（在一个系统中，工质单位温升所吸收的热量，即在温度间隔内使气体温度升高1°k时平均所需热量，称平均热容量。）

平均热容量：

KJ/K瞬时热容量（真实热容）：单位热容量（比热）：

（

）式中：C——某工质在某一状态下的比热

dq——某工质在某一状态下温度变化时所吸收或放出的热量（KJ）工程热力学基础知识比热大小与之有关④工质所处的状态①工质的性质（或种类）②量度气体数量的单位（物量的单位）

③加热方式（过程）

工程热力学基础知识(一)

与工质的性质（种类）关系：不同的工质比热不同，可通过查有关表格得。(二)比热与单位关系：量度气体质量的单位可以是：kg、kmd、m3

质量比热：摩尔比热：热容比热：三者关系（

：摩尔质量）工程热力学基础知识(三)

比热与热力过程关系

工质的比热与工质从一状态到另一状态所经历的热力过程有关。热力工程中最常见的加热过程是定压过程和定容过程。定压质量比热

定压摩尔比热

定压容积比热

定压比热定容比热定容质量比热

定容摩尔比热

定容容积比热

在一定温度下，同一种气体的与值彼此不等，且>，与关系式可由第一定律解析式导出。在一定温度下，同一种气体的与值彼此不等，且>，与关系式可由第一定律解析式导出。工程热力学基础知识(四)

比热与加热时工质的状态关系(与温度和压力关系)

实验证明：气体的比热是温度、压力的函数。对于理想气体，比热仅是温度的函数。(因理想气体分子间没有相互作用力，因而分子具有内动能而不存在内位能。因此，理想气体的比热仅是温度函数，与压力、比容无关。）理想气体：

理想气体与的关系极为复杂，可近似表示为：

（）式中：、、等系数均由实验确定，与气体种类有关。（常数）

工程热力学基础知识如果以比热为纵坐标，温度为横坐标，则得的关系曲线。可见不同的温度对应不同的比热。工质在每一温度下所对应的比热称为工质的“真实比热”。=面积1、2、、因比热随T不同而变化，使计算复杂，为使计算方便，取平均比热。平均比热：在一定温差范围内单位量物质所吸收或放出的热量和温度差之比值。

=面积1、2、、

=面积ABCD=AC工程热力学基础知识矩形高AC表示在至范围内的平均比热

=工程上将平均比热制成表，可直接查取。此表的温度是从0（因若、温度都变化，使制表困难）

1－2

=面积OE2DO-面积C0E1C

==又∴

工程热力学基础知识在作要求不高的估算时，忽略温度对比热的影响，采用定值比热。（只按理想气体的原子数确定比热）注：定值比热仅用在定性计算，不可用在定量计算。定值比热是在低温范围内的近似值，温度越高，误差越大。工程热力学基础知识(五)理想混合气体及其比热

内燃机的工质通常是由各种气体组成的混合气体，燃气由CO2、O2、N2及少量SO2、H2o、CO等组成。在高温时，燃气内部存在极复杂的化学反应，高温分解，低温还原，研究十分困难，但高温时间极短，一般在1400℃以下时，分解、分离现象相对次要。所以，我们常将混合气体视为理想气体研究。（不存在化学反应）

有关理想气体的公式和定律对理想混合气体也都适用。

：理想混合气体的平均摩尔质量

：理想混合气体的平均摩尔质量工程热力学基础知识

式中：——组成气体的质量——组成气体的摩尔数

理想混合气体的比热：其比热取决于各组成气体的比热和其相对成分。

——第种组成气体的相对重量成分

（）

工程热力学基础知识§1-2热力学第一定律一、几个基本概念1、功work工程热力学基础知识平常工程热力学说的简单系统只有一种形式的功——膨胀功（亦称容积功）。

容积功：作用在系统边界的力使系统边界发生位移，并使容积发生变化而作功。设一千克工质在气缸中进行膨胀，经历一个可逆过程

∵是可逆过程∴

∵∴式中：——活塞移动时工质作的微量功

——膨胀过程中工质在某瞬间的压力工程热力学基础知识整个过程1-2中所作的功应为

m千克工质所作的功，则为（）以上两式为工质在可逆过程中对外界（包括活塞）所作膨胀功的数学表达式，如已知在状态变化过程中与的变化规律，即过程方程式，即可求得功量。工质在可逆过程中所作得功可以用图上过程曲线下的面积表示。所以，压容图亦称示功图。工程热力学基础知识从示功图可知，膨胀功的数值不仅决定于工质初态和终态，而且和过程经过的途径有关，即与过程的性质有关。所以，膨胀功不是状态参数，而是过程的函数。

规定：膨胀功为正，压缩功为负工程热力学基础知识2、热量、熵

热量（hert）：依靠温差而传递的能量称为传热量或称热量。

功与热的比较规定：系统吸收热量为正，放热为负abc功与热都是与过程有关的过程量

功与热都是边界现象，只是在系统的边界才能看到功与热都是路径函数，不是状态参数工程热力学基础知识熵和温熵图（示热图）在可逆过程中，外界向系统的传热量与传热时的绝对温度之比称为系统的熵的增量。a

m千克工质（——可逆）

1千克工质（如不可逆）——做功推动力

——传热推动力这用完全形式逻辑对比引出，但这不是很好的说明，只是为了加深记忆工程热力学基础知识温熵图图b

>0

系统吸热可逆过程

<0

系统放热

=0系统绝热（等熵过程）

熵是一个状态参数。可逆绝热过程=等熵过程不可逆绝热过程熵大于0>0工程热力学基础知识3、热力学循环ThermodyhamicCycle

在热力学系统中，工质的状态经过连续的变化过程又恢复到起始状态，在这一过程中，系统与外界间进行了功、热交换，称之为热力学循环。

同一个循环过程，可以在图或图上示出。

3、热力学循环ThermodyhamicCycle

在热力学系统中，工质的状态经过连续的变化过程又恢复到起始状态，在这一过程中，系统与外界间进行了功、热交换，称之为热力学循环。

同一个循环过程，可以在图或图上示出。

工程热力学基础知识二、热力学第一定律

热力学第一定律是能量转换和守恒定律在热力学上的应用。能量转换定律（TheLewofConservationEnergy）是1843年英国业余物理学家Joule通过大量实验找出热功当量，实际上是德国一个医生Mayer在1842年已发现，但他的论文未被采纳。

能量转换及守恒定律：自然界一切物质都具有能量，能量有各种不同的形式，它能够从一种形式转换为另一种形式，在转换中能量保持不变。

热力学第一定律：“在任何发生能量转换的热力过程中，转换前后的总能量维持恒定。”

或：“第一类永动机是不可能造成。”工程热力学基础知识

或：“热能可以转变为机械能，机械能也可以转变为热能，一定量的热能可以转化为数量相当的机械能，一定量的机械能也可以转化为数量相当的热能。”

国际单位制规定功、热的单位均使用“焦耳”（），这时如果单位不同：则：或式中：——功的热当量

——热的功当量工程热力学基础知识三、内能

任何工质同时可作各种不同形式的运动，因而也就具有多种能量，如工质的宏观动能（kinetic）、宏观重力位能（potential），除了、外，工质内部还具有各种微观能量，这些微观能量称为内能。——内能（InternalEnergy）除了整个系统的动能和位能以外，系统所包含的各种能量。

工程热力学中所讨论的不涉及化学反应和原子反应，所以内能不包括这两项。工程热力学基础知识由于工程热力学所讨论的工质内能只包括分子运动的动能和分子间相处的位能。因此，工质的内能将取决于工质的温度和比容，即取决于工质所处状态。因此，内能也是一个状态参数。

——总内能，单位为焦耳（）

——（比）内能，是对1千克工质而言。，单位焦耳/千克（）内能的变化量只与工质初、终态有关，而与工质从状态1到状态2所经历的过程性质无关。

理想气体：分子间没有引力，气体分子间的位置能为零。所以，理想气体的内能仅是温度的单值函数。

符号规定：内能增加为正，反之为负。工程热力学基础知识四、系统状态改变时的热力学第一定律能量平衡方程式用文字表达：加入热力系的热量-热力系对外所做的功=热力系储存能量的增加。

工程热力学基础知识五、闭口系统能量平衡方程

以气缸中定量工质为例：工质与外界并无质量的交换，只有能量的传递（传热与作功），这就是前面介绍的封闭热力系或定质量热力系（闭口系统）。工质从外界吸收热量Q，从状态1变到状态2（膨胀），并对外界作膨胀功W，由于讨论是闭口系统，不存在工质流进流出的问题，所以和可不予考虑。则在此过程中工质储存能量的变化为：∴热力学第一定律解析式：

工程热力学基础知识

以上三式仅从热一律原则直接推导得，没有附加条件，因此可适用于任何工质、任何过程（可逆和不可逆的一切变化过程）

若工质经历的是可逆过程，则上式可写成：工程热力学基础知识六、开口系统稳定流动能量平衡方程

稳定流动工程上常遇到工质流过热力设备（如图示划定Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ间为研究的热力系），工质不但与外界有能量的传递与转换，而且还有质量交换，即有工质流进、流出。并且整个设备中各空间点的状态都随时间而变。严格地讲，流动过程中每瞬时工质的状态和流量都有差别，特别是启动、停机、改变负荷时变化更大。这种随时间而变的不稳定流动分析研究非常困难。但若分析极短时间内的情况，则可近似作为稳定流动或给以适当修正，作为稳定流动处理，这样分析较简单，且有实用意义。工程热力学基础知识稳定流动：热力系任何截面上工质的一切参数都不随时间而变。整个热力系各点的热力状态和流速不随时间而变化。要使流动达到稳定，必须：

单位时间进入热力系的工质质量与流出热力系的工质质量相等，且等于常数，即：式中：

单位时间加入热力系的净热及热力系作出的功都不随时间而变工程热力学基础知识

稳定流动能量平衡方程现分析千克工质流经开口系统时能量变化关系。流入热力系时带入的能量为：式中：工质流出热力系时带出的能量：

工程热力学基础知识∴热力系储存能量的变化为：

此外，系统在过程中从外界吸热Q，并对外输出轴功（控制体积功，除了轴功外，还可能有容积变形、膨胀功、拉伸功、电磁功……等，在此假定除外，其余没有）。

为使截面Ⅰ—Ⅰ前的千克工质流入热力系，外界必须用力，克服阻力把它推入热力系，此时外界对工质作功焦。同理，千克工质由热力系截面Ⅱ—Ⅱ流出时，也必须克服外界阻力，对外界作功焦。上述乃是千克工质在流动时所作的功，称为流动功（或推动功、压缩功、压力势能）

工程热力学基础知识∴将、、代入能量平衡方程工程热力学基础知识焓：焦对一千克工质：焦/千克可见：由状态参数、、决定的焓也是状态参数，在状态变化过程中，焓变量为：对于开口流动体系来说，焓是内能+推进功对于闭口系统没有更多物理意义，只是一个状态参数，工程热力学基础知识引用焓，在闭口系统有时很方便，如：一个闭口系统，定压膨胀，可逆过程：可见：在闭口系统定压过程，系统所吸收的热量等于系统焓的增量。工程热力学基础知识

稳定流动能量平衡方程的分析

工质体积膨胀是使热变为功的根本途径，这对流动热力系或封闭热力系都是正确的，但流动热力系对外表现出来的功和封闭热力系不同，并不是膨胀功，而是轴功。

流入热力系时带入的能量为：得（可逆过程）克服阻力维持工质流进、流出工程热力学基础知识技术功：

若工质流进、流出热力系的动能和位能的变化量很小，可略去不计工程热力学基础知识则：∴工质流经热力设备时所作的技术功应等于膨胀功和推动功的代数和∵

∴工程热力学基础知识也可由第一解析式直接转化而得

=或：（复合状态参数）∴工程热力学基础知识七、热力学第一定律运用例（理想气体为前提）

定容过程（内能推导）

由于理想气体内能仅是温度的函数，而与压力或比容无关，所以，无论经历什么过程，只要初终态的温度变化范围相同，其工质内能变化量也相同，即以上内能计算式从定容推得，但适用于理想气体的任何过程。同理∵（理想气体）∴也是温度单位函数，的变化量只与初终态温度有关，与变化过程无关。工程热力学基础知识

定压过程（焓的推导）

所以：理想气体无论经历什么过程，其内能变化在数值上总等于定容过程的加热量。

焓的变量在数值上总等于定压过程的加热量。

工程热力学基础知识

定压比热与定容比热的关系

∴迈耶公式或用定压过程热力学第一定律推导：

∵、

、∴即令：——绝热指数∴工程热力学基础知识

熵的计算

∵∴若为定值，则：或：∵∴工程热力学基础知识

若为定值，则：熵从状态1变化到状态2，只与初态1和终态2有关，与过程无关，所以，也是状态参数。工程热力学基础知识§1-3气体的主要热力过程一、等容过程∵∴定容过程中工质的压力和温度成正比

膨胀功

热量∵

0∴工程热力学基础知识

熵的变量

（∵为定值）

在图上，定容过程曲线为一条对数曲线。工程热力学基础知识二、等压过程定压过程比容与温度成正比

膨胀功

热量或工程热力学基础知识

熵的变量

工程热力学基础知识三、定温过程定温过程气体绝热压力与比容成反比

膨胀功

热量

∵∴工程热力学基础知识

熵的变量

∵

∴工程热力学基础知识四、绝热过程（——绝热指数）对于可逆的绝热过程：∵∴∵且（二元函数的全微分）∴上式为整理得：工程热力学基础知识∵∴整理：积分上式得：或即可逆绝热方程式

注：绝热指数，当、视为常数时，它们的数值则取决于气体的原子数，由、决定的这时也是定值，同样取决于其他的原子数。

工程热力学基础知识单原子气体=1.67双原子气体=1.4三（多）原子气体=1.3从得工程热力学基础知识

热量

熵的变量

功闭口系统：膨胀功

∵

∴

可见：绝热过程中工质对外作膨胀功时消耗工质的内能。

∵

∴工程热力学基础知识开口系统：技术功

则可见：工质在绝热流动过程中对外作技术功等于工质焓的减少。

∵∴

以上讨论的四个具有特殊性的典型过程，其实它们只是千百万个热力过程中的典型情况，我们可以寻求一个方程式来综合描述这些过程——多变过程方程式工程热力学基础知识四、多变过程定义：压力、比容的关系符合的过程（）

——多变指数这是一般化公式——多变过程方程式当则定压过程则定温过程则绝热过程则定容过程可见：当为某一定值时，就代表一个特定过程，此式可将许多有规律的热力过程包括在内，具有相当的普遍性，讨论多变过程得到的结论，对其他特殊过程具有原则性指导意义。

工程热力学基础知识由于多变过程方程式的数学形式与绝热过程相同，因此多变过程中的初、终态参数之间的关系，以及求膨胀功（技术功）的公式，在形式上均与绝热过程的公式完全相同，只是以代替各式中的值。

膨胀功技术功多变过程中气体的技术功等于闭口系统中同量气体膨胀功的倍工程热力学基础知识

热量推导过程：设——多变过程定比热

此式说明：多变过程定比热与理想气体的种类（、值）及过程的性质（）有关。则

工程热力学基础知识

熵的变量

或工程热力学基础知识

在、图上的表示

工程热力学基础知识§1-4热力学第二定律一、热力学第二定律的几种表述热力学第二定律是人们根据无数经验总结出来的有关热现象的第二个经验定律，并被大量经验和事实说明它的正确性。热力学第二定律的实质就是指出一切过程的不可逆性。

第一种说法：克劳修斯说法（1950年），“不可能把热从低温物体传至高温物体，而不引起其它变化。”即“热不可能自动（自发）地、不付代价地从低温物体传至高温物体。”

第二种说法：开尔文说法（1951年），“不可能从单一热源取热使之完全变为有用功而不产生其它影响。”即“只冷却一个热源而连续不断作功的循环发动机是造不成功的。”工程热力学基础知识二、卡诺循环及卡诺定理

循环

工质经过一系列状态变化后又回到初始状态，称工质经过一个热力循环（封闭的热力过程称为热力循环）。重复这些循环就能连续不断地把热能转变为机械能。把热能转变为机械能的循环称为正循环（热机循环）；依靠消耗机械能而将热量从低温热源传向高温热源的循环叫逆向循环（制冷循环）。在、图上正循环为顺时针方向进行，逆循环为反时针方向进行。工程热力学基础知识

正循环及其热效率

12过程为工质膨胀过程，对外输出功121，21过程为外界对工质做功(压缩功)，使工质回复到初始状态，外界作功121，输出净功=过程线所围的面积

=膨胀功与压缩功之差同理：工程热力学基础知识据热力学第一定律∵（内能是状态参数）∴可见：工质经过一个循环后，自高温热源吸收了热量，向低温热源放出热量，向外作功。热效率为：（可逆、不可逆、一切工质）

从热源得到的热能只有一部分转化为机械能而作功，随之，必有另一部分热能从高温热源传给了另一低温热源，这符合热力学第二定律。

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逆向循环

12过程为工质膨胀，对外作功，21为外界对工质做功，使工质回复到初始状态，此时膨胀功小于压缩功，净功为负值。放热量大于吸热量，即循环中有一部分热量从低温热源传到高温热源。

——循环消耗的净功制冷系数>0对照热力学第二定律，这一结论说明了，伴随着低温热源把一部分热量传到高温热源的过程，必须把一部分机械能转变为热能，这是使热能从低温热源传到高温热源的必要条件。

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卡诺循环及其热效率热力学第二定律指出，第二类永动机是不可能造成的，也就是说，任何热机都不可能将吸取的热量循环不息地全部转变为功。那么在一定条件下（高温恒温热源和低温恒温热源一定时），循环中吸取的热量最多能转变为多少功？即是说，提高循环中热变功的效率的基本途径是什么？卡诺循环和卡诺定理回答了这些问题。123什么样热机效率最高，最高达到多少？工质不同对热效率有什么影响？热机应按什么方式工作最好？问题工程热力学基础知识卡诺循环由四个基本组成部分：

可逆等温膨胀（吸热）过程1-2（1千克工质从高温恒温热源吸热）1可逆绝热膨胀过程2-3（工质从温度降至）2可逆等温压缩（放热）过程3-4（工质向低温恒温热源放热）3可逆绝热压缩过程4-1（工质从温度升高至）4由可逆过程组成的循环称为可逆循环。热机循环的经济性是以热效率来衡量的。

工程热力学基础知识据热力学第一定律：

——卡诺循环热效率由卡诺循环的热效率公式可以得出：1、卡诺循环的热效率决定于高温热源和低温热源的温度，也就是工质在定温吸热和定温放热时的温度。（取决于、）。工程热力学基础知识2、提高、降低，可提高卡诺循环的热效率。（）3、诺循环的热效率总是小于100%，而且不可能等于100%。因为＝∞或＝0都是不可能的，即在热机循环中，向高温热源所吸取的热能不可能全部转变为机械能。（<100%）4、当＝时，卡诺循环热效率等于零（＝0），即没有温差（只有一个热源），不可能将热能转变为机械能。（＝时，＝0）卡诺循环是一种理想循环，实际上不可能在定温下进行热量的交换。此外，还有摩擦等不可逆损失等，因此，卡诺循环不可能付诸实用。但他从理论上确定了循环中实现热变功的条件，提出了提高实际热机效率的方向，和在一定温差范围内热变功的最大限度问题工程热力学基础知识

卡诺定理“在两个不同温度的恒温热源间工作的所有热机，没有其他热机的热效率能比卡诺热机的热效率更高。”12在两个不同温度的恒温热源间工作的一切可逆机，均具有相同的热效率，且与工质的性质无关。

在两个不同温度的恒温热源间工作的任何不可逆循环，其热效率必小于在两个同样恒温热源间工作的可逆循环。

推论《发动机原理》

2009-2010学年第一学期第二章内燃机的循环§2-1四行程发动机的实际循环§2-2理论循环§2-1四行程发动机的实际循环一、基本名词及定义

工作循环：完成一个热能转化为机械能的过程。

止点（死点）：活塞在气缸中的极限位置。上止点：活塞顶部离曲轴中心最远处。下止点：活塞顶部离曲轴中心最近处。

工作行程（）：上下止点间的距离。四行程发动机：活塞经四个行程完成一个工作循环的发动机二行程发动机：活塞经二个行程完成一个工作循环的发动机

曲柄半径

：曲轴中心与连杆轴径中心之距内燃机的循环内燃机的循环

气缸余隙容积（燃烧室容积）：活塞在上止点时，活塞顶部以上的容积。

气缸工作容积（气缸排量）：活塞从上止点到下止点所走过的容积。

发动机排量：各缸排量之和。

气缸总容积

：活塞在下止点时，活塞顶部以上的容积。

压缩比

：气缸总容积与燃烧室容积之比。一般：汽油机6～10柴油机16～24

内燃机的循环一、实际循环（以汽油机为例）工质（即气体）在内燃机气缸中的实际工作情况，常用气体压力随气缸容积而变化的图形表示，称为示功图。四行程内燃机是曲轴转二圈完成一个实际工作循环，实际工作是由“进气”、“压缩”、“燃烧”、“膨胀”、“排气”五个过程组成。（4个行程：进气、压缩、作功、排气）1、吸气线进气门开、排气门关活塞从上止点下止点运行（340～

380）（0.8～0.9）

（标准大气压）内燃机的循环2、压缩线进气门、排气门均关，活塞从下止点向上止点运行，提高工质、P.(工质受压缩的程度用表示。)

（6～10）800～2000600～750

内燃机的循环3、燃烧线

在上止点前点火燃烧，进、排气门关闭，活塞处在上止点前后,、，近似定容燃烧。：2200～2800

：3000～6500

内燃机的循环4、膨胀线高温、高压工质推动活塞由上止点下止点运行，膨胀作功。气体的压力、温度迅速。

内燃机的循环4、排气线进气门关、排气门开、活塞从下止点上止点。排出废气、为下一循环作准备。

：900～1100：1.05～1.15从实际循环分析可知：实际循环情况复杂，研究也十分困难工质对活塞作功为正，活塞对工质作功为负

内燃机的循环上环面积减下环面积决定循环指示功平均指示压力（这样才可以评价发动机动力性）只代表气缸内压力变化的循环，不是热力学工质状态变化的循环

而燃烧最高压力（汽油机）30～50（柴油机）70～90总之：实际循环工作情况十分复杂，其复杂性可归纳为工质、过程和能量损失等三方面内燃机的循环为研究方便，将内燃机实际工作过程抽象简化。§2-2理论循环4用等容加热，等压加热或先等容后等压加热代替燃烧过程，等容放热代替排气过程5忽略实际过程中的各种损失，将各过程假定为可逆过程1只考虑上环，忽略进排气损失，变为热力学封闭循环

3压缩、膨胀过程是等熵的（即绝热过程）2工质是空气（理想气体），且比热不变（常用=1.4）

§2-2理论循环假定内燃机的循环一、定容加热循环

内燃机有三种基本空气标准循环：定容、定压、混合汽油机为定容加热循环（亦称循环）；低速柴油机为定压加热循环（DieselCycle）；高速柴油机为混合加热循环（MixedCycle）（实际上现在发展并非这样，实际上柴油机的压力升高率>汽油机）评定理论循环是用循环热效率和循环平均压力

定容循环的理论热效率内燃机的循环由于1～2及3～4为定熵过程，则内燃机的循环定容加热循环平均压力

循环功

∵