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交通学院隗海林,发动机原理,本课主要内容及教材,本课程主要讲授汽车上使用的汽、柴油发动机的工作原理及提高发动机性能、节能环保的理论基础教材：汽车拖拉机发动机（第三版）武汉汽车工业大学董敬庄志常思勤编其他发动机原理书均可作为参考书。,汽油机混合气形成和燃烧,发动机的换气过程,柴油机混合气形成和燃烧,发动机的性能,燃料与燃烧,绪论,1,2,3,4,5,7,6,讲课提纲,发动机特性,7,一、能源的分类及热能的应用,绪论,1.能源的分类自然能源的开发和利用是人类走向繁荣的起点，而能源的开发和利用程度是生产发展的一个重要标志。能源是指为人类生产与日常生活提供各种能量和动力的物质资源。主要有：风、水、太阳、地热、海洋能、核能及燃料化学能等。这些能源除风、水能和海洋潮汐能可以以机械能的形式提供给人们外，其余各种能源都常以热能的形式提供给人们。综上可知，人们从自然能源中获取能量的主要形式热能。据统计，热能形式而被利用的能量，在我国占90%以上，世界其他各国也占85%以上。因此我们有必要研究热能的转换和利用。,一、能源的分类及热能的应用,绪论,2.热能利用方式,对于一个国家而言，按人口平均的能量耗用水平，可直接反映国民经济发展的水平、生产力水平和科学技术水平。,热能利用方式,直接利用,间接利用,如：加热、烘干、采暖、融化等,将热能转化为其他形式的能量如：机械能、电能等,一、能源的分类及热能的应用,绪论,2011年能源消耗结构,一、能源的分类及热能的应用,一、能源的分类及热能的应用,绪论,3.热机的发展过程,目前对热能的利用最普遍的就是热机。热机的发展史：蒸汽机蒸汽轮机内燃机喷气发动机火箭发动机十八世纪以前，能量的主要来源是人力、畜力、风力及水力等自然动力。十八世纪中叶出现了蒸汽机，据记载荷兰人克里斯琴赫更斯于1673年提出了内燃机构想，并于1685年建造了用火药作燃料的内燃机；纽科门及卡利在1705年发明了大气式蒸汽机；瓦特1765年发明了设有与汽缸壁分开的凝汽器的蒸汽机，并于1769年取得了英国的专利。1782年前后，瓦特将机器进一步改进，使蒸汽机的热效率成倍提高，煤耗大大下降。蒸汽机的发明标志工业革命的开始。,一、能源的分类及热能的应用,绪论,1791年，英国人巴伯首次描述了燃气轮机的工作过程；1872年，德国人施托尔策设计了一台燃气轮机，但因未能脱开起动机独立运行而失败；1905年，法国人勒梅尔和阿芒戈制成第一台能输出功的燃气轮机，但效率太低，未获得实用。1920年，德国人霍尔茨瓦特制成第一台实用的燃气轮机。1941年瑞士制造的第一辆燃气轮机机车通过了试验；1947年，英国制造的第一艘装备燃气轮机的舰艇下水；1950年，英国制成第一辆燃气轮机汽车。此后，燃气轮机在更多的部门中获得应用。20年代末，当时任英国空军教官的弗兰克惠特尔提出了喷气发动机的设想，并于1930年申请了专利。德国的冯奥亨也在研制涡轮喷气发动机，并在1937年9月使发动机第一次运转成功。,一、能源的分类及热能的应用,绪论,研制的Hes3B涡轮喷气发动机的He178飞机于1939年8月27日首次试飞成功，成为世界上第一架喷气式飞机。英国随后在1941年有了”格洛斯特E28”。1949年，第一架喷气式民航客机英国的“彗星”号首次飞行。从此，人类航空史进入了喷气机时代。到今天，世界上绝大部分作战飞机和干线民航客机都早已实现了喷气化。火箭发动机是我国劳动人民首先创造出来的。早在唐代初年(约在七世纪）火药就出现了，大约在十三世纪制成火箭。19世纪末20世纪初,液体火箭技术开始兴起。1903年,俄国的.E.齐奥尔科夫斯基提出了制造大型液体火箭的设想和设计原理。1926年，美国的火箭专家、物理学家R.H.戈达德试飞了第一枚无控液体火箭。1944年，德国首次将有控的、用液体火箭发动机推进的V2导弹用于战争。第二次世界大战以后，苏联和美国等相继研制出包括洲际弹道导弹在内的各种火箭武器。中国于20世纪50年代开始研制新型火箭。在发展现代火箭技术方面，中国的钱学森、美国的W.von布劳恩和苏联的S.P.科罗廖夫等都做出了杰出的贡献。,太阳能发动机,电力机,热机,热机,外燃机,内燃机,蒸汽机,蒸汽轮机,活塞式,燃气机,燃气轮机,往复式,旋转式,汽油机,柴油机,原子能,水力机,风力机,一、能源的分类及热能的应用,绪论,二、典型的热机,绪论,1.蒸汽机的原理,二、典型的热机,绪论,2.内燃机工作原理,内燃机是一种动力机械，它是通过使燃料在机器内部燃烧，并将其放出的热能直接转换为动力的热力发动机。包括汽油机、柴油机及燃气发动机。往复活塞式内燃机的组成部分主要有曲柄连杆机构、机体和气缸盖、配气机构、供油系统、润滑系统、冷却系统、起动装置等。内燃机的工作循环由进气、压缩、燃烧和膨胀、排气等过程组成。这些过程中只有膨胀过程是对外作功的过程，其他过程都是为更好地实现作功过程而需要的过程。按实现一个工作循环的行程数，工作循环可分为四冲程和二冲程两类。,二、典型的热机,绪论,3.蒸汽轮机装置的工作原理,燃料在锅炉1中燃烧，使锅炉中的水变为蒸汽。由于此蒸汽的压力、温度远高于大气环境的压力与温度，故具有作功的能力。此过程为水和蒸汽的吸热过程。压力、温度较高的蒸汽进入汽轮机6，在流经汽轮机喷管7时，由于蒸汽降压膨胀而在喷管出口处形成一股高速汽流。汽流冲击转轮9上的叶片8，使转轮转动并在转轴10上输出机械能，带动发电机11发出电能或带动其它机械。此过程为蒸汽的膨胀作功过程。,蒸汽机由于热效率等逐渐被蒸汽轮机取代，蒸汽轮机是用转轮受蒸汽的作用力而直接产生回转运动，从而没有曲柄连杆机构。近代热力发电厂中绝大部分采用蒸汽动力装置。,作功之后的乏汽从汽轮机内排出后进入冷凝器12，被冷却水冷却而凝结为水。此过程中乏汽排出大量热量，是蒸汽的放热过程。凝结水经水泵14送入水箱15后，再经水泵16压入锅炉。此过程为水的升压过程。由上可见，在蒸汽动力装置中，工作物质水经过压缩、吸热、膨胀、放热四个过程，不断循环，连续不断地将热能转换为机械能。,二、典型的热机,绪论,3.蒸汽轮机装置的工作原理,二、典型的热机,绪论,4.核能装置的工作原理,近年来核能发电有了飞跃的发展，先进国家的核能发电量己占其总发电量的15%左右。目前，这个比例还在上升。核电站的工作过程与上述普通蒸汽动力装置比较，主要区别就是用反应堆取代了蒸汽锅炉，如右图所示。目前的反应堆多用浓缩铀作燃料，而用载热质（如重水或某些碱金属蒸气）将反应堆中的大量热能携出，并在热交换器中将热能传递给水蒸气。水蒸气的循环则与蒸汽动力循环完全相同。,二、典型的热机,绪论,5.燃气轮机动力装置,工作原理:燃气轮机装置是近几十年发展起来的新型动力装置，它既可作为飞机、车船等的发动机，也可作为固定式动力装置。基本系统如图所示。空气经压气机升压后进入燃烧室与燃料混合。在燃烧室内燃料的燃烧过程同样可以视作气体的吸热过程。,燃烧后的高温高压燃气进入燃气轮机喷管中，经过膨胀加速之后推动燃气轮机转轮旋转作功，作功后的废气最后排入大气。,二、典型的热机,绪论,6.喷气发动机,工作原理:作用在物体上的力都有大小相等方向相反的反作用力。喷气发动机在工作时，从前端吸入大量的空气，燃烧后高速喷出，在此过程中，发动机向气体施加力，使之向后加速，气体也给发动机一个反作用力，推动飞机前进。事实上，这一原理很早就被应用于实践中，我们玩过的爆竹，就是依靠尾部喷出火药气体的反作用力飞上天空的。,燃料和氧化剂分别通过泵压缩后进入燃烧室，在燃烧室内燃烧生成高温高压的燃气，燃气通过喷管降压膨胀，形成由喷管向后喷射的高速气流，推动整个装置向前运动。,装上喷气发动机的汽车,二、典型的热机,绪论,7.制冷装置,制冷装置定义:热能动力装置,它的目的是将热能转换为机械能。在工程上还有另一类作用与之相反的能量转换装置，它们消耗外部机械功来实现热能由低温物体到高温物体的转移。这类装置通常称为制冷装置或热泵。在压气机中，空气受到绝热压绝，温度升高到高于大气环境的温度。在冷却器中，空气被冷却至常温，此时空气向外放热。在膨胀机中，空气膨胀对外作功，同时压力降低到原来的压力，温度降到低于大气的温度。然后冷空气进入冷室中吸热，从而完成循环。循环经历了压缩、放热、膨胀、吸热过程其次序正好与热机相反。循环所产生的结果是：不断消耗外部机械功，而将热能由低温物体转移到高温物体。这也正好与热机的结果相反。,制冷装置工作过程,电冰箱工作原理,三、工程热力学知识,绪论,1.热力学系统介绍在热力学研究和分析中，首先要确定研究对象，并把它与其它周围的物体分开，然后研究这个物体上所受的作用。这个研究对象可以是固定的一些物体，也可以是固定在空间中的一些物体。这种在能量转换时划出的部分称为熟力系统或简称系统。热力系统以外的物体统称为外界或环境。热力系统和外界的分界面称为边界或界面。边界可真实,可假想,或固定或移动.,三、工程热力学知识,绪论,2.工质及其热力学状态1）工质的概念：工程热力学是研究热功转换规律的一门科学。在热能动力装置中，是依靠热机中工作物质的吸热和放热以及它本身的状态变化完成热功转换的。这种工作物质简称工质，通常是蒸汽和气体。,2）工质的热力状态：工质在某一瞬间所呈现的宏观物理状态称为工质的热力状态。如压力、容积、温度等。用热力学状态参数描述。,3）工质的状态参数：常用的状态参数有：压力、容积、温度、内能、熵、焓。,四、工程热力学知识,绪论,（）压力：是工质对容器壁面单位面积作用的垂直力称为压力，按分子热运动学说法：气体的压力是气体分子向容器壁面碰撞的平均结果。,单位体积内分子数,单个分子质量,单个分子速度,与大气压力的比：分为绝对压力和真空度。,表压力,真空度,三、工程热力学知识,单位：帕斯卡,三、工程热力学知识,绪论,（2）温度T是表征物体冷热程度的物理量。按分子运动学说：是气体分子平均移动动能的量度。度量温标有开氏、摄氏、华氏温标。取水的固液气三态平衡共存状态温度为单一固定点，取为273.16K；水的冰点为273.15K（开尔文）（3）容积v工质所占的体积，为密度的倒数。单位质量工质所占体积称为比容。（立方米）,三、工程热力学知识,绪论,（4）内能U是指与系统中大量粒子的微观运动状态和物质结构有关的能量，包括：分子的动能（移动、转动、振动）和分子力所形成的势能。（焦耳）,（6）熵S是指热量转变为功的能力。ds=dQ/T（J/K）,（5）焓H是一个组合状态参数，是随工质携带和转移的能量。H=U+PV（焦耳）,四、工程热力学知识,绪论,三、工程热力学知识,3.理想气体状态方程1)分子体积与气体体积相比可以忽略不计；2)分子之间没有相互吸引力；3)分子之间及分子与器壁之间发生的碰撞不造成动能损失。4)在容器中，在未碰撞时考虑为作匀速运动，气体分子碰撞时发生速度交换，无动能损失。5)解热学题的时候，简单的认为是分子势能为零，分子动能不为零。6)理想气体的内能是分子动能之和。,四、工程热力学知识,绪论,4.理想气体的比热容,单位质量的热容量称为比热容，简称比热。可分为质量比热、容积比热、摩尔比热；,1)质量比热:使1Kg物质温度升高1K所需的热量称为质量比热，以c表示，单位为JKgK。2)容积比热:使1标准m3气体温度升高1K所需热量称为容积比热，以c表示，单位为Jm3K。容积比热主要用于气体。3)摩尔比热:使lKmol物质温度升高1K所需的热量称为摩尔比热，以C表示，单位为J/KmolK。,四、工程热力学知识,三、工程热力学知识,绪论,比热容的分类：按热力学状态定容比热容、定压比热容；,在工质的热力性质研究及热工计算中，定容过程比热容和定压过程比热容有特别重要的意义，分别称为定容比热容和定压比热容，用符号Cv和Cp表示。4)定容比热容5)定压比热容,6)迈耶公式：,四、工程热力学知识,绪论,7)定值比热容,三、工程热力学知识,当比热容查表没有合适的，且温度变化不大时，可把比如而看成常数，根据分子运动论关于能量均匀分配的原则，认为一切气体只要组成分子中的原子数相同，则摩尔比热容相同。,三、工程热力学知识,绪论,5.典型热力过程分析,1）功的热力学表述,示功图,三、工程热力学知识,绪论,2）定容过程,常数,示功图,温熵图,绪论,三、工程热力学知识,常数,3）定压过程,示功图,温熵图,三、工程热力学知识,绪论,常数,4）定温过程,示功图,温熵图,绪论,三、工程热力学知识,5）绝热过程,对,全微分有,则有,代入,而,当,有,常数,常数,K为比热比，这里又称为绝热指数,四、工程热力学知识,绪论,三、工程热力学知识,示功图,温熵图,三、工程热力学知识,绪论,例题：气缸中，承受一定重量的活塞下有0.15kg空气，t120，V10.06m3。问加入Q120.4kJ热量后，问t2、P2、V2各为多少？内能、焓、熵的变化量、功各为多少？又当活塞达到最后位置时固定，再加入20.4KJ热量，问P3？求内能、焓、熵的变化量为多少?,三、工程热力学知识,绪论,1-2定压加热过程,解：,绪论,三、工程热力学知识,2-3定容加热过程,绪论,三、工程热力学知识,6）绝热过程,实际过程多种多样，许多过程与四种基本过程差别较大，因此在实际中应用有一定困难，而实际上全部参数都在变，故采用一种普遍适用而又遵循一定规律变化的过程，多变过程。,定值,定值,定值,多变过程的状态参数的计算,定压过程,定温过程,绝热过程,定容过程,绪论,三、工程热力学知识,为多变指数,正逆循环正循环是指由热转变为功的热力过程，即热机循环。循环热效率,逆循环是指热从低温物体到高温物体，即制冷循环。制冷系数,1,绪论,三、工程热力学知识,在两个热源间工作的一切可逆热机具有相同的效率,并且是最高效率。,提高高温热源温度或降低低温热源，均能提高热效率。,绪论,四、传热学知识,热力学着重研究在热力学平衡状态下不同形式的能量间的相互转换的规律。而传热学则是研究由于存在温度差而引起的热量传递规律，探讨不同条件下热传递系统的温度分布和有关热流量问题的分析计算实验。热传递是复杂的现象，可分为三种基本方式：热传导、热对流、热辐射。,1.热传导（导热）,是相互接触而温度不同的物体或物体中温度不同的各部分之间，当不存在宏观的相对位移时，由微观粒子（分子、原子和它们的组成部分）的移动、转动和振动等热运动引起的热传递现象。,导热系数单位,导热热阻,绪论,四、传热学知识,2.热对流,液体中温度不同的各部分之间，由于相对的宏观运动而把热量从一处带到另一处的现象，称为热对流。,沿用1701年牛顿提出的冷却公式,对流换热系数,3.热辐射,凡温度高于0开尔文的物体都有向外发射辐射粒子的能力。物体转化本身的热能向外辐射能量的现象称为热辐射。,斯蒂芬-波尔兹曼常数,
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