《发动机原理》

1、Speaker: Lin Ying,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,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。,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。,发动机：将

2、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,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（Automotive Engine）多为往复式的内燃机。,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(Reciprocating Piston Engine) ：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。,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

3、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;,(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;,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%。,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

4、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,1-1 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）,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

5、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。,（3）朗肯温标= 1.8K （4）华氏温标 = + 459.67,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=103Pa 1MPa=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=101325 Pa=101.325 KPa 1bar=105 Pa1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。当P绝P0时 P绝=P0+P表（P

6、=P0+Pg）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。,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：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）气体热力性质最简单，可以简化为理想气体。,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。 无不平衡力：力学平衡系统平衡状态条件： 无温度梯度：热平衡无化学反应：扩散或溶解过程，化学平衡无电位差：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。,(二) 热力系统 凡是人为划定的热力学研究对象叫“

7、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 open system ： 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 control volume） 如：燃气轮机 。闭口系统 closed system：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 control mass） 如：气缸。,孤立系统 Isolated system：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。,(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

8、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。,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。, 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

9、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。,（4）可逆过程与不可逆过程（是carnot在17961832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,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。,三、理想气体状态方程 Ideal gas equation of state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。,

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