汽車發(fā)動機原理

(第二版)韓同群主編同濟大學鄧鐘明主講北京大學出版社第一篇熱力工程基礎第1章熱機與熱功轉(zhuǎn)換的基本規(guī)律▼▼▼▼熱能在熱機中轉(zhuǎn)換為機械功的過程1.1

熱功轉(zhuǎn)換的工質(zhì)及其參數(shù)1.2

熱功轉(zhuǎn)換的效率1.4

理想氣體的熱力過程1.31.1熱能在熱機中轉(zhuǎn)換為機械功的過程熱機

將熱能轉(zhuǎn)換為機械能的機械裝置,是原動機的一種。熱機的形式

蒸汽機、內(nèi)燃機和燃氣輪機活塞往復式內(nèi)燃機

點燃式汽油機

壓燃式柴油機工質(zhì)

實現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)換為機械能的媒介物質(zhì)，通常為氣體1.1熱能在熱機中轉(zhuǎn)換為機械功的過程熱機

將熱能轉(zhuǎn)換為機械能的機械裝置。是原動機的一種。工質(zhì)

實現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)換為機械能的媒介物質(zhì)，通常為氣體。熱機的形式

蒸汽機、內(nèi)燃機、燃氣輪機汽車發(fā)動機往復活塞式內(nèi)燃機：點燃式或壓燃式1.2熱功轉(zhuǎn)換的工質(zhì)及其參數(shù)

1.2.1

狀態(tài)及狀態(tài)參數(shù)

狀態(tài)

熱力系統(tǒng)在某一瞬間呈現(xiàn)的全部宏觀性質(zhì)稱為狀態(tài)

狀態(tài)參數(shù)

描述宏觀狀態(tài)的物理量稱為狀態(tài)參數(shù)。平衡狀態(tài)熱力系統(tǒng)在沒有外界作用情況下宏觀性質(zhì)不隨時間變化的狀態(tài)稱為平衡狀態(tài)。

狀態(tài)參數(shù)是宏觀量，只有平衡態(tài)才有狀態(tài)參數(shù)。1.2.1

狀態(tài)及狀態(tài)參數(shù)狀態(tài)參數(shù)壓力比體積溫度熱力學能焓熵基本狀態(tài)參數(shù)①壓力

氣體壓力是組成氣體的大量分子在紊亂的熱運動中對容器壁碰撞的結果，是單位表面積上的垂直作用力。p=F/A式中：p為壓力；F為垂直作用力；A為面積。國際單位中壓力的單位為Pa,中文名稱為帕。1MPa=106Pa1bar=105Pa（1-1）1.2.1狀態(tài)及狀態(tài)參數(shù)②比體積(比容)

單位質(zhì)量物質(zhì)所占有的體積稱為比體積。用v表示。單位為m3/kgv=V/m

密度和比體積互為倒數(shù)。③溫度系統(tǒng)溫度表示物體的冷熱程度，描述分子熱運動強弱的參數(shù)。（1-4）（1-2）1.2.1狀態(tài)及狀態(tài)參數(shù)④熱力學能（內(nèi)能）

宏觀靜止的物體，其內(nèi)部的分子、原子等微粒仍在不停地運動著，這種運動稱為熱運動。物體因物體熱運動而具有的能量稱為熱力學能。用符號U表示，其單位為焦耳(J)。

1kg工質(zhì)所具有的熱力學能稱為比熱力學能。用符號u表示。(1-6)⑤焓

H=U+pV

比焓：1公斤工質(zhì)的焓，用h(J/kg)表示。

h=u+pv

焓是工質(zhì)在某一狀態(tài)下所具有的總能量，它是內(nèi)能U和推動功ＰＶ之和，是一個復合狀態(tài)參數(shù)，其單位為J或kJ。焓是由狀態(tài)參數(shù)u、p、v組成的綜合量，對工質(zhì)的某一確定狀態(tài)，u、p、v均有確定的數(shù)值，因而u＋pv的數(shù)值也就完全確定。

熱機中工質(zhì)流動，隨著工質(zhì)的移動而轉(zhuǎn)換的能量不等于熱力學能而對于焓。(1-8)（1-7）⑥熵傳熱與否的標志，是狀態(tài)參數(shù)

熵是微元熱量與溫度的商，物理意義是系統(tǒng)可逆定溫過程與外界交換的熱量。其變化可以判斷熱量的正負。

熵用S（J/K）表示：

s（J/kg.K）為單位質(zhì)量熵，稱為比熵。（1-14）(1-13)熵:熱力系中工質(zhì)的熱力狀態(tài)參數(shù)之一。在可逆微變化過程中，熵的變化等于系統(tǒng)從熱源吸收的熱量與熱源的熱力學溫度之比，可用于度量熱量轉(zhuǎn)變?yōu)楣Φ某潭取?/p>

(百度定義)1.2.2狀態(tài)參數(shù)的坐標圖

為了分析問題的方便，工程上通常采用兩個獨立狀態(tài)參數(shù)組成坐標圖來表示工質(zhì)所處的狀態(tài)。p–v圖壓容圖（P16圖1.5，

狀態(tài)參數(shù)坐標圖）T–s圖溫熵圖（p16圖1.5）熱量符合規(guī)定：工質(zhì)從外界吸熱，熱量為正Q＞0，熵增加dS＞0工質(zhì)對外界放熱，熱量為負Q＜0，熵減少dS＜0與外界沒熱量交換，熱量等于零，熵不變dS=0熱力過程是指熱力系統(tǒng)從一個狀態(tài)向另一個狀態(tài)變化時所經(jīng)歷的全部狀態(tài)的總和。如果熱力系統(tǒng)從一個平衡狀態(tài)無摩擦地連續(xù)經(jīng)歷一系列平衡的中間狀態(tài)過渡到另一個平衡狀態(tài)，這樣的過程稱可逆過程。

熱力循環(huán)是封閉的熱力過程。（P16圖1.6b）1.2.2熱力過程和循環(huán)

可逆過程：系統(tǒng)經(jīng)歷一過程后，如能在過程逆向進行后使外界和系統(tǒng)同時回復到初始狀態(tài)而不留下任何變化，則稱該過程為可逆過程。可逆過程是無耗散效應（如摩擦、電阻、磁滯等等）的恢復到平衡狀態(tài)的過程。1.2.3

功和熱量

工質(zhì)的能量交換用功和熱量表示功是指熱力系統(tǒng)通過邊界和外界進行的機械能的交換量。膨脹功，壓縮功，容積功

（單位質(zhì)量氣體做功）(1-9)(1-10)1.2.3功和熱量

熱量是指僅僅由于溫差而通過邊界傳遞的能量。Q(J)熱量的特點熱量是兩物體通過微觀的分子運動發(fā)生相互作用而傳遞的能量。工質(zhì)與外界不通過宏觀運動而交換能量的表現(xiàn)為熱量交換。

傳熱與否的標志用狀態(tài)參數(shù)熵S(J/K)表示。

1.2.3功和熱量

熱量與功的異同：1.都是通過邊界傳遞的能量；2.都是過程量；3.功傳遞由壓力差推動，比體積變化是作功標志；熱量傳遞由溫度差推動,比熵變化是傳熱的標志；4.功是物質(zhì)間通過宏觀運動發(fā)生相互作用傳遞的能量；

熱是物系間通過紊亂的微粒運動發(fā)生相互作用而傳遞的能量。熱力過程中工質(zhì)的能量交換用功和熱量表示熱力學第一定律是能量守恒定律在熱力學中的應用，可以描述為：熱能和機械能可以相互轉(zhuǎn)換，且在相互轉(zhuǎn)換過程中，能量的總量保持守恒。

（加入熱力系統(tǒng)的能量的總和）-（離開熱力系統(tǒng)能量的總和）=（熱力系統(tǒng)總能量的增量）1.2.4熱力學第一定律熱力學第一定律的表達式(1-15)熱力系統(tǒng)

熱力學所研究的對象。熱力系統(tǒng)可以是一個物體，一群物體或物體的一部分。外界

與熱力系統(tǒng)有作用關系的周圍物體。邊界

系統(tǒng)與外界的分界面。閉口系統(tǒng)熱力系統(tǒng)與外界沒有物質(zhì)交換的系統(tǒng)。開口系統(tǒng)熱力系統(tǒng)與外界有物質(zhì)交換的系統(tǒng)。1.閉口系統(tǒng)（1）公式可用于任何過程，任何工質(zhì)。（2）Q、W、U為代數(shù)值。當熱力學能增加時，U>0，當熱力學能減少時，U<0。（3）對可逆循環(huán)，因dw=pdv，或du=0，故：

或

對1kg工質(zhì)而言，有：對微元過程而言，有：P19（圖1.9）分析閉口系統(tǒng)的能量方程(1-18)（1-17）得出：在閉口系統(tǒng)中熱力系統(tǒng)和外界交換的熱量等于工質(zhì)熱力學能的變化與系統(tǒng)所做膨脹功的代數(shù)和。1.閉口系統(tǒng)的能量方程(1-17)2.開口系統(tǒng)加入熱力系統(tǒng)的能量總和：dQ（系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)與外界的熱量交換）+E1（流入工質(zhì)帶入系統(tǒng)的總能量）+（工質(zhì)帶入系統(tǒng)的推動功）離開熱力系統(tǒng)能量的總和：dWs（系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)與外界的功量交換）+E2（流出工質(zhì)帶出系統(tǒng)的總能量）+（工質(zhì)帶出系統(tǒng)的推動功）熱力系統(tǒng)總能量的增量：dE

式（1-19）是開口系統(tǒng)任何流動形式能量普遍關系式的微元形式。將（1-19）兩邊同時除以dt,得能量方程的流量表示，如下所示：對于穩(wěn)定流動：

（1）任何截面上所有參數(shù)不隨時間變化。（2）流入質(zhì)量等于流出質(zhì)量，即（3）系統(tǒng)和外界交換的熱和功等一切能量不隨時間變化，即

（1-20）（1-19）（4）系統(tǒng)本身能量不隨時間變化，。將上述條件代入（1-20），對于穩(wěn)定流動：兩邊除以，得單位時間內(nèi)流入或流出1kg工質(zhì)時系統(tǒng)的能量方程式：設為技術功

在開口系統(tǒng)中熱力系統(tǒng)與外界交換是熱量等于工質(zhì)比焓的變化與系統(tǒng)所做技術功的代數(shù)和。（1-21）（1-22）（1-24）開口系統(tǒng)熱力學第一定律表達式開口系統(tǒng)熱力學第一定律表達式：（1）（1-24）適應任何過程，任何工質(zhì)。（2）可逆過程中，

或?qū)ξ⒃^程p,＞0,系統(tǒng)對外做功p,＜0,外界對系統(tǒng)做功或系統(tǒng)消耗功p不變化，=0

（1-24）（1-25a）（1-25b）（4）閉口系統(tǒng)中熱力系統(tǒng)與外界交換的是膨脹功，

開口系統(tǒng)中熱力系統(tǒng)與外界交換的是軸功（即技術功減去動能增量和位能增量的剩余部分）①技術功與軸功的關系：②動能和位能變化較小時：③技術功與膨脹功的關系：實際氣體是考慮了分子本身體積和分子間的作用力的氣體。（比體積不很大）理想氣體是指氣體的分子本身不具有體積，分子間也沒有作用力。理想氣體是實際氣體在低壓高溫時的抽象。實際應用中，當壓力不很高時，很多氣體（如O2、H2）均可按理想氣體進行分析和計算。使問題簡化，計算結果精度符合要求。1.3理想氣體的熱力性質(zhì)

1.3.1理想氣體的熱力過程1.理想氣體

2.理想氣體狀態(tài)方程式

平衡狀態(tài)下氣體的壓力、溫度及比體積三者之間的關系式稱為氣體狀態(tài)方程式。1kg氣體mkg氣體nkmol氣體1kmol氣體(1-29)(1-30)（1-26）（1-27）摩爾氣體常數(shù)3.理想氣體的比熱容、熱力學能和焓

比熱容c（J/kgK）是單位質(zhì)量的物質(zhì)在可逆過程中溫度升高1℃（或1K）所吸收或放出的熱量定容比熱容定壓比熱容

定容比熱容、定壓比熱容是溫度的單值函數(shù)。(1-32)(1-33)(1-34)4.理想氣體的熵

熵是微元熱量與溫度的商，物理意義是系統(tǒng)可逆定溫過程與外界交換的熱量.理想氣體定值比熱容過程熵的變化(1-42)(1-43)（1-39）定容比熱容定壓比熱容

由式（1-42）和（1-43）可見：

理想氣體熵的變化僅與初始狀態(tài)和終了狀態(tài)有關，而和它變化所經(jīng)過的過程無關

理想氣體的熵是狀態(tài)參數(shù)。1.3.2理想氣體的熱力過程及參數(shù)計算1.多變過程與基本熱力過程

熱功轉(zhuǎn)換過程中熱量、熱力學能、功量的定量計算有賴于過程的性質(zhì)，不同的熱力過程狀態(tài)參數(shù)變化規(guī)律不同導致熱力學能變化及熱功轉(zhuǎn)換數(shù)量上的不同。

基本熱力過程：定容過程、定壓過程、定溫過程及定熵過程（又稱：絕熱過程）。2.多變過程參數(shù)計算（1）滿足方程pvn=常數(shù)的過程，其中n為常數(shù)（2）狀態(tài)參數(shù)間關系：比熱容為定值(1-47)（3）比熵變化：（4）功和熱量的計算

稱為多變過程比熱。3.四種基本熱力過程參數(shù)的計算通過分析多變過程（pvn=常數(shù)），四種基本熱力過程的熱功轉(zhuǎn)換問題就迎刃而解了，對應不同的基本熱力過程問題的各種形式只需將不同的n值代入或按照多變過程的類似的分析方法分析即可。例如對定溫過程，已知它是當n=1時的多變過程，所有相應的公式只需將多變過程中的n換成1即可。

定容過程定壓過程定溫過程絕熱過程多變指數(shù)n01k

定壓過程：n=0，斜率

定容過程：n=，斜率

定溫過程：n=1，斜率

等熵過程：n=k，斜率1.3.3四種基本熱力過程的p-v圖及T-s圖(1-48)多變過程在p-v圖上的斜率：

定壓過程：n=0，斜率

定容過程：n=，斜率

定溫過程：n=1，斜率

等熵過程：n=k，斜率1.3.3四種基本熱力過程的p-v圖及T-s圖Cn:多變過程比熱多變過程在T-s圖上的斜率：(1-49)多變過程在p-v圖和T-s圖的規(guī)律定性分析

定容定壓定溫絕熱(1-21)由圖1.21能分析一熱力過程轉(zhuǎn)換及比較不同熱力過程功量及熱量的大小：（1）熱力學能及焓的增減依定溫線為分界線：在定溫線上方（T-s圖）或右上方（p-v圖）

＞0,則＞0

,

△h＞0

在定溫線下方（T-s圖）或右下方（p-v圖）

＜0，則＜0，△h＜0（2）功量的正負依定容線為分界線：

在定容線右方（p-v圖）或右下方（T-s圖）

△V＞0，則W＞0，工質(zhì)對外做功在定容線右方（p-v圖）或右下方（T-s圖）

△V＜0，則W＜0，外界對工質(zhì)做功（3）熱量的正負依絕熱線為分界線：

在絕熱線右方（T-s圖）或右上方（p-v圖）

△s＞0，則q＞0,工質(zhì)從外界吸熱在絕熱線左方（T-s圖）或左下方（p-v圖）

△s＜0，則q＜0,工質(zhì)對外界放熱1.4熱功轉(zhuǎn)換的效率1.4.1熱機循環(huán)熱力學第一定律說明了熱量和功量兩者之間可以相互轉(zhuǎn)換，且在數(shù)量上有一定的當量關系，即規(guī)定了熱能與機械能在轉(zhuǎn)換過程中量的守恒關系。熱力學第二定律則是從另一個角度研究熱功轉(zhuǎn)換問題，它是關于解決過程進行的方向、條件和限度等問題的規(guī)律熱力循環(huán)

工質(zhì)經(jīng)過一系列的狀態(tài)變化，重新回復到原來狀態(tài)的全部過程，稱系統(tǒng)經(jīng)歷了一個熱力循環(huán)。在狀態(tài)參數(shù)坐標圖上，循環(huán)的全部過程一定構成一個閉合曲線，整個循環(huán)可看作一個閉合過程。熱機循環(huán)

將熱能轉(zhuǎn)化為機械能的循環(huán)稱為熱機循環(huán)，也稱為正向循環(huán)、熱動力循環(huán)。

以1kg工質(zhì)在封閉汽缸中進行的正向循環(huán)為例，分析熱機循環(huán)性質(zhì)。P34頁圖1.24熱機循環(huán)Wo:工質(zhì)完成一循環(huán)對外做出的凈功（循環(huán)功）qo:吸熱量與放熱量之差（循環(huán)凈熱量）由p-v圖可知，熱機不僅有對外做功過程，還必須有耗功過程。由T-s圖可知，熱機不僅有吸熱過程，還必須有放熱過程。完成一個正向循環(huán)后全部效果為：1）高溫熱源放出了熱量q1（或熱機中工質(zhì)從高溫熱源吸熱q1）。2）低溫熱源獲得了熱量q2（或熱機中工質(zhì)向低溫熱源放熱q2）。3）熱機將(q1－q2)=q0(1-51)的熱量轉(zhuǎn)化為功。4）工質(zhì)與機器設備回復到原來狀況，沒有變化。1.4.1熱機循環(huán)結論

熱機中工質(zhì)從高溫熱源得到的熱能q1，其中只有部分可以轉(zhuǎn)化為功，在部分熱能（q1－q2）轉(zhuǎn)化為功的同時，必有另一部分q2傳向低溫熱源，后者是使熱能經(jīng)過熱循環(huán)轉(zhuǎn)化成為功的必要條件。因此，一切熱動力裝置都只能將從熱源得到的熱量中的一部分轉(zhuǎn)化成為功，這是熱動力循環(huán)根本特性。正向循環(huán)的經(jīng)濟性用熱效率t來衡量，即ηt↑，表明吸入同樣的熱量q1時得到的循環(huán)功w0↑，表明循環(huán)的經(jīng)濟性越好。（1.52）熱力學第二定律的幾種典型表述1.克勞修斯敘述——熱量不可能自發(fā)地不花代價地從低溫物體傳向高溫物體。（熱量傳遞）2.開爾文—普朗克敘述——不可能制造循環(huán)熱機，只從一個熱源吸熱，將之全部轉(zhuǎn)化為功，而不在外界留下任何影響。（熱能和機械能轉(zhuǎn)換的方向性）1.4.2熱力學第二定律卡諾循環(huán)及熱效率

卡諾循環(huán)是指兩個可逆定溫過程和兩個可逆絕熱過程組成的封閉循環(huán)。卡諾循環(huán)卡諾循環(huán)及熱效率等熵等溫圖1.25卡諾循環(huán)及熱效率（卡諾循環(huán)的熱效率公式）(1-53)2）3）第二類永動機不可能制成；1）卡諾循環(huán)及熱效率利用熱能產(chǎn)生動力，一定要有溫度差。（1-53）4）實際循環(huán)不可能實現(xiàn)卡諾循環(huán)，原因：

a）一切過程不可逆；

b）氣體實施等溫吸熱，等溫放熱困難；5）卡諾循環(huán)指明了一切熱機提高熱效率的方向。決定循環(huán)熱效率的根本因素是工質(zhì)吸熱時溫度和放熱時溫度。卡諾循環(huán)及熱效率卡諾定理

定理1：在相同溫度的高溫熱源和相同溫度的低溫熱源之間工作的一切可逆循環(huán)，其熱效率都相等，與可逆循環(huán)的種類無關，與采用哪種工