发动机原理工程热力学基础资料

第一章工程热力学基础第一节热力学第一定律第二节理想气体的热力过程第三节热力学第二定律第四节发动机理论循环及热效率

几个名词术语：1、工质：实现热能与机械能相互转换的工作物质。主要为气体或水蒸气（因气态物质吸热后容易膨胀）。发动机中所说的工质是指气缸内的可燃混合气。2、热力系统：选取某一宏观范围内的物质或空间作为研究对象，称为热力系统。对于发动机而言，是将气缸内的气体作为热力系统，而将气缸看做“外界”。3、热力状态：热力系统（工质）在某一瞬间所处的宏观热力状况，简称状态。系统的状态可以不随时间变化——平衡状态，也可以随时间变化——非平衡状态。处于热力平衡状态的系统，只要不受外界的影响，其状态就不会随时间变化，平衡也不会自发地破坏。处于不平衡状态的系统，其状态将随时间而改变，直至形成一个新的平衡状态。工程热力学中，只研究平衡状态。4、平衡状态：指在没有外界影响的条件下，工质（或系统）的状态不随时间变化。5、热力过程：热力系统的状态随时间变化的过程。如发动机工作时的压缩过程、膨胀过程等。6、外界：系统以外与热工过程有关的其他物质或空间。7、边界：系统与外界之间的分界面（分界面可以是真实的、假想的、固定的、移动的）。8、状态参数：描述工质所处状态的物理量，其数值的大小只取决于工质的状态。处于平衡状态的工质对应着唯一的状态参数（如比容、压力、温度）。工质的状态发生变化，其状态参数随之改变，如向轮胎内充气，充气量的多少决定了气压、温度的高低。第一节热力学第一定律热力学：研究热能的性质以及与其他能量相互转换规律的科学。生活中的实例：1）电灯照明：电能光能、热能；2）用煤烧水：燃料的化学能热能；3）车用发动机燃料在气缸内燃烧、膨胀：化学能热能机械能；4）发动机带动发电机：机械能电能。能量转换与守恒定理：能量既不能被创造，也不能被消灭（能量既不会凭空产生，也不会凭空消失），它只能从一种形式转化为别的形式，或者从一个物体转移到别的物体，且转化（转移）前后能量总和保持不变。能量守恒定律如今被人们普遍认同，但是并没有严格证明。重要意义：

①揭示了自然界中总能量为一常数（不能无中生有）；②揭示了能量在形式上具有可转换（变）性。一、热力学第一定律的内容内容：在热能与机械能之间，一定量的热能消失时，必将产生数量完全相同的机械能（做了功），反之，亦是一样。即：热能机械能（功）正向：获得功必须消耗热，如车用发动机燃料在气缸内燃烧后对外输出功；逆向：产生热一定要消耗功，如汽车制动鼓的制动过程（摩擦生热）。表达式：Q=W同一计量单位

Q=AW或Q=JW

不同计量单位二、热力学第一定律的解析式及其应用1、几个概念

1）功力学中W=FX公式的意义：物体所受的力F和物体在受力方向上的位移的X乘积。做功的条件：①力的作用；②产生的位移。热力学中的功如何表现？是否满足功的条件（力、位移）外界对气体的元功：令则1）功的符号：“-”

，

外界对系统作功；“+”

，

系统对外界作功。2）功的图示（数值）：

定义：热力学中，热力系统和外界间越过边界而传

递能量，若它的全部效果可表现为使（外界）物体改变宏观运动的状态，则这种传递的能量称为功。微元状态：dw=pAdx=pdv

整个过程：对于发动机而言，越过边界而传递的能量是通过活塞、曲柄连杆机构而传递的能量。

热力学中功的本质：使外界物体发生宏观位移。

2）热量：热力系统与外界间越过边界而传递能

量，若它的全部效果未能表现为使（外界）物体改变宏观运动的状态，仅使物体的温差发生变化，表现为物体内部分子的微观运动，则这种传递的能量称为热量。功和热量的比较：相同点：都是过程量，均为能量的传递形式；不同点：功使（外界）物体改变宏观位移，热量仅使物体的温度发生变化。讨论：假定一杯水在未加热前水温为200C，经加热后获得能量升至1000C。从外界感觉，通过边界传递了能量，水温升高；从水本身的内部分子运动看：水分子因吸热其平均运动动能增大，运动加快，对此，已有的热量、温度都不能反映出水分子微观运动状态的改变，需引入一个新的标量——内能。3、内能

描述系统内部（微观状态）工质运动状态的改变情况。对于气体，是气体分子内部所具有的动能与位能的总和。对于一个热力系统，系统所接受的热量如果不能使外界物体产生宏观位移，则会使工质的内能增加。理想气体：U=U动=f(T)

1）如果将一壶水在未加热前分成两半，一半加

热至沸腾，另一半不加热，随后将两部分接触，如果接触过程完全绝热，则平均温度：

2）能否将原来温度低的一杯水所吸收的热量无条件全部还原给温度高的另一杯呢？这说明了什么问题？（热量传递具有方向性）2、第一定理解析式将气缸活塞做功简化为一闭口系统模型。闭口系统——系统与外界无质量交换，系统没有散热损失。条件：在一个具有活塞的理想气缸中，储有1kg工质（气体），如果给气体以微量热量dq,其结果将使工质（气体）的状态发生变化，同时使活塞移动dx的距离。根据能量守恒：对于1kg物质，dq=△u+dw

即：输入=储存+输出（或：，）讨论：1）对于等温过程：T=C△u=0qw,即加入的热量全部转化为功；2）对于绝热过程：dq=0，当T，外界消耗功--压缩过程，△u﹥0；当T，向外界输出功--膨胀过程，△u﹤0；3）对于等容过程：dv=0，qu,即加入的热量全部转化为工质的内能（煤气罐旁边禁止加热就是此原因）。第二节理想气体的热力过程理想气体：是指分子本身不占有体积、分子之间没有作用力的气体（一种理想模型——实际中并不存在的“假想气体”）。当温度不是很低或很高、压力不是很低或很高，或没有其他特殊条件时，一般气体均可视为理想气体。理想气体状态方程

pv=RT或PV=mRT1、等容过程过程方程式：V=C功：（因）内能：（根据）

2、等压过程过程方程式：P=C功：内能：

123、等温过程（C-D线）过程方程式：T=C

(PV=Ｃ)功：

内能：124、绝热过程过程方程式：功：内能：（因Q=0）

12绝热线和等温线的比较:绝热过程曲线的斜率等温过程曲线的斜率

绝热线的斜率大于等温线的斜率。常量ABC常量第二节热力学第一定律对理想气体的应用5、多变过程1）多变过程方程式

n——多变指数，一般1＜n＜k当n=0——等压过程；

n=1——等温过程；

n=k——绝热过程；

n=∞

——等容过程；因而，等容、等压、等温、绝热过程都是多变过程的特例。2）多变过程的功、热量、内能功：热量：内能：第三节热力学第二定律

热力学第一定律说明了热能和机械能相互转换的数量关系，但并未指出实现能量转换的条件问题，即并未说明能量转换之间质的差别。生活经验告诉我们：①物体传热：Ｔ高Ｔ低可自发Ｔ低Ｔ高不可自发②气体混合：一瓶氧气与大气混合可自发进行，而将其分开可不可自发进行；③机热，可自发进行，如摩擦生热；热机，不可自发进行，需有附加条件作为补充。虽然热机、Ｔ低Ｔ高并不违反热力学第一定律，但在实际中确是不能自发进行的，这说明了说明问题？一、热力循环热机这一转换过程中，依靠工质膨胀可做功，但不连续；为了使热机转换连续，工质膨胀做功后须被压缩（回复到原来状态）。在发动机里是直接把做功后的“废气”排入大气，然后再从大气中吸入新气，为下一循环作准备。热力循环：使工质经过一系列状态变化又回到原来状态的全过程。在P-V图上为一条封闭曲线。工质完成一个循环时，其内能变化量为零。AB

膨胀功：图中VAAcBVB包围的面积;压缩功：图中VAAdBVB包围的面积。正向循环：P-V图上封闭曲线顺时针方向走向，其意义为：将热功（热机循环），膨胀功＞压缩功对外输出功。逆向循环：P-V图上封闭曲线逆时针方向走向，其意义为：消耗机械能将热量从Ｔ低Ｔ高（制冷机），膨胀功＜压缩功消耗外部功。正向循环（热机）效率正向循环效率：经历一个循环后热能转变为机械能的程度。

W0——循环净功；

Q1——加入循环的热量；

Q2——循环放出的热量。AB热机高温热源低温热源二、热力学第二定律的内容（两种说法）开尔文说法：不可能建造一种循环工作的机器，其作用只从单一热源取热并全部转化为功。即：热功，不能自发进行，须要有两个热源：T1——高温热源；T2——低温热源，且效率小于1。热功转化为什么非要两个热源：保证工质能够连续做功。（膨胀压缩再膨胀，使工质回复到原来状态）。克劳修斯说法：热量不可能自发的、不负代价地从低温物体传至高温物体。即：热量传递具有方向性，从高温向低温传递可自发进行，反之不行。注意1、热力学第二定律是大量实验和经验的总结。

3、热力学第二定律可有多种说法，每一种说法都反映了自然界过程进行的方向性。

2、热力学第二定律开尔文说法与克劳修斯说法具有等效性。第四节热力学第二定律举例：有人宣布已设计出一种新型发动机，如果每小时供给158000千卡的燃料发热量，就能够连续发出250马力的动力，试问该发动机的热效率为多少？，是否可能？解：1马力小时=632千卡，或1马力=632千卡/小时

250×632=58000千卡/小时热效率：不可能，违背了热力学第二定律。三、卡诺循环及其热效率分析1824年，法国的年青工程师卡诺提出一个工作在两热源之间的理想循环—卡诺循环，给出了热机效率的理论极限值;他还提出了著名的卡诺定理。1、卡诺循环——由两个可逆等温过程和两个可逆绝热过程组成。WABCD低温热源高温热源卡诺热机卡诺循环热机效率的计算C—D

等温压缩D—A

绝热压缩A—B

等温膨胀B—C

绝热膨胀卡诺循环各过程：A—

B等温膨胀吸热第三节卡诺循环热机效率C—D

等温压缩放热第三节卡诺循环热机效率B—C

绝热过程

D—A

绝热过程

卡诺热机效率

卡诺热机效率与工作物质无关，只与两个热源的温度有关，两热源的温差越大，则卡诺循环的效率越高。

图中两卡诺循环吗？讨论第三节卡诺循环热机效率

1）在相同高温热源和低温热源之间工作的任意工作物质的可逆机都具有相同的效率.

2、卡诺定理

2）工作在相同的高温热源和低温热源之间的一切不可逆机的效率都不可能大于可逆机的效率.(

不可逆机

)（可逆机）以卡诺机为例，有第四节热力学第二定律3、几点结论1）卡诺循环热效率仅于热源温度T1、冷源温度T2相关，与工质性质无关；2）T1，；T2，；3）当T1=

T2，=0；说明单一热源热机不存在；4）当T1≠∞，T2≠0，﹤1；说明Q1不能全部转换为功；5）在同样的T1、T2条件下，卡诺循环的最高。研究卡诺循环的意义：1）指明了提高热机循环热效率的方向，T1与T2；

实际中，T1受限于金属材料的热特性；T2受限于环境的温度。2）指出了在热源温度时，热能转换机械能的最高极限。

目前，柴油机的最高有效热效率为46%。若T1=2500K，T2=350K，则：第四节发动机理论循环及热效率内燃机实际做功的复杂性：1）内燃机能够连续对外做功，须每循环都对工质进行“吐故纳新”，即做功后排出废气，然后吸入新鲜工质；2）存在多种损失：燃料燃烧不完全；缸壁散热；换气损失；摩擦损失；排气损失。

一、对内燃机实际工作过程的简化

内燃机工作时，其主要任务

热能

转化

机械能

热能的获得：燃料在气缸内迅速燃烧，即加热；保证燃料在气缸内迅速燃烧进行的条件：压缩；机械能的产生：工质膨胀推动活塞曲柄连杆机构运动：膨胀；根据热力学第二定律，还有向冷源放热的问题：放热。由此构成一个基本循环：压缩加热膨胀放热。发动机理论循环是假想的简化循环，由4个热力过程（压缩过程、加热过程、膨胀过程、放热过程）组成，用以代替发动机复杂的实际循环。

将复杂的实际循环简化为理论循环的条件是：①假定工质为理想气体；②忽略进、排气过程（假定整个循环中工质的质量不变，工质在密闭系统中作封闭循环，即没有进、排气过程）；③假定压缩过程和膨胀过程均为绝热过程；④燃烧过程简化为定容加热、定压加热过程；⑤排气放热简化为定容放热过程。二、三种基本循环及其热效率主要根据加热方式即燃烧过程特征的不同，将不同发动机（汽油机、柴油机等）的实际循环简化为三种不同的理论循环：定容加热循环；定压加热循环；混合加热循环。1）汽油机——简化为定容加热循环理论循环其燃烧过程的特点是燃烧速度很快，加热过程近似在等容条件下完成，即瞬时完成，对应的加热过程简化为——定容加热过程；对应的理论循环为定容加热循环。2）大型低速船用柴油机——简化为定压加热循环理论循环其燃烧过程的特点是燃烧速度较慢，气缸压力基本不变，对应的加热过程简化为——定压加热过程；对应的理论循环为定压加热循环。3）车用柴油机——简化为混合加热循环理论循环其燃烧过程的特点是先快后慢，气缸压力开始快速上升，后来基本不变，对应的加热过程简化为——混合加热过程（先定容、再定压）；对应的理论循环为混合加热循环。循环热效率t循环热效率t：是工质所做循环功W与循环加热量Q1之比，用以评定循环经济性。式中：Q1——循环加热量；

Q2——循环放热量；

W0

——循环功。混合加热循环的热效率计算公式循环特征参数：（1）压缩比ε（2）压力升高比λ（3）初始膨胀比ρ（4）等熵指数k对计算公式中相关参数的影响分析:1）压缩比：随

t

，t随而的变化趋势如下图。t

1t随而的原因：提高压缩比，可以提高循环平均吸热温度，降低循环平均放热温度，扩大循环温差，增大膨胀比，所以可以提高发动机的热效率t。

由图可以看出：在较低时，随

t

快速，当较高时，随

t上升速度变缓。目前，汽油机：=7～11；柴油机：=14～22。由于汽油机的较低，能够有效t

，但由于存在爆燃的原因，目前汽油机的难以继续。而柴油机的已经较高，进一步提高难以有效提高t，对于柴油机而言，进一步提高

将会得不偿失。2）压力升高比和初始膨胀比在Q1、一定，t

；

t；：意味着燃烧过程变快，大部分燃料在上止点附近燃烧；即定容部分的加热量增加，定压部分的加热量减少，所以t

；

：意味着后燃增加，热量利用率变差，且排气温度，即定容部分的加热量减少，而定压部分的加热量增加，所以t

。3）绝热指数kk:k，混合气变稀t。k值的大小取决于工质的性质。讨论：当=1时，混合加热循环变为定容加热循环；当=1时，混合加热循环变为定压加热循环。这表明，定容加热循环、定压加热循环都是混合加热循环的特例。三、

三种理想循环热效率的比较1）压缩比相同、加热量Q1相同，2）在加热量Q1相同、最高压力相同，循环平均压力pt

Pt

是单位汽缸容积所做的循环功，用来评定循环的做功能力。定义式：式中：

Pt——循环平均压力；

W——循环功；

VS——气缸工作容积。Pt的计算公式Pt随Pa、、、、k和t的增加而增加。发动机理论循环热效率用于实际的约束发动机理论循环所得到的提高热效率的方法用于实际时，必须要考虑发动机实际工作条件的约束和限制：1）结构强度的限制；2）机械效率方面的限制；3）燃烧方面的限制。2023/3/22附录资料：不需要的可以自行删除2023/3/22步进电动机的工作原理与特点原理：步进电机是利用电磁铁原理,将脉冲信号转换成线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移动一小段距离。特点：(1)来一个脉冲，转一个步距角。

(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。

(3)改变脉冲顺序，改变转动方向。

(4)角位移量或线位移量与电脉冲数成正比.2023/3/22步进电动机结构注意：步进电机通的是直流电脉冲

步进电机主要由两部分构成：定子和转子。它们均由磁性材料构成。定、转子铁心由软磁材料或硅钢片叠成凸极结构，定、转子磁极上均有小齿，定、转子的齿数相等。其中定子有六个磁极,定子定子磁极上套有星形连接的三相控制绕组，每两个相对的磁极为一相，组成一相控制绕组,转子上没有绕组。转子上相邻两齿间的夹角称为齿距角2023/3/22工作方式步进电机的工作方式可分为：三相单三拍、三相单双六拍、三相双三拍等。一、三相单三拍（1）三相绕组联接方式：Y型（2）三相绕组中的通电顺序为：A相

B相

C相通电顺序也可以为：

A相C相B相

2023/3/22（3）工作过程引转子，由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，因此会在磁力线扭曲时产生切向力而形成磁阻转矩，使转子转动，使转、定子的齿对齐停止转动。A相通电，A方向的磁通经转子形成闭合回路。若转子和磁场轴线方向原有一定角度，则在磁场的作用下，转子被磁化，吸A相通电使转子1、3齿和AA'对齐。CA'BB'C'A34122023/3/22CA'BB'C'A3412B相通电，转子2、4齿和B相轴线对齐，相对A相通电位置转30；1C'342CA'BB'AC相通电再转302023/3/22这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，一个循环周期共包括三个脉冲，所以称三相单三拍。三相单三拍的特点：（1）每来一个电脉冲，转子