Номер 2, страница 221 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

2. Как работает четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания?

1. Паровые машины были вытеснены двигателями внутреннего сгорания (ДВС) по ряду ключевых причин, связанных с эффективностью, удобством и техническими характеристиками:

1. Коэффициент полезного действия (КПД). КПД двигателей внутреннего сгорания значительно выше, чем у большинства паровых машин. КПД теплового двигателя ограничен циклом Карно и зависит от разности температур нагревателя и холодильника: $ \eta = 1 - \frac{T_{хол}}{T_{нагр}} $. В ДВС топливо сгорает непосредственно в рабочем цилиндре, достигая очень высоких температур (до 2500 °C), что позволяет получить КПД в 30-40% (у дизельных до 50%). Паровые машины являются двигателями внешнего сгорания, где тепло от сгорания топлива передается воде через стенки котла. Из-за потерь тепла и ограничений по прочности материалов котла, температура пара обычно ниже (300-600 °C), что приводит к более низкому КПД (в среднем 15-25% для поршневых машин).

2. Габариты и масса. ДВС гораздо компактнее и легче паровых машин при одинаковой мощности. Паровая машина требует наличия громоздкого котла, топки, запасов воды и топлива (часто угля). Это делает ее очень тяжелой и большой, что критично для транспортных средств. ДВС объединяет все процессы в одном блоке и использует более энергоемкое жидкое топливо, что обеспечивает высокий показатель удельной мощности (отношение мощности к массе).

3. Время запуска. Двигатель внутреннего сгорания готов к работе практически мгновенно после запуска. Паровой машине требуется значительное время (от десятков минут до нескольких часов) для разогрева котла и создания необходимого давления пара.

4. Автономность и удобство эксплуатации. ДВС работают на жидком топливе (бензин, дизель), которое легко транспортировать, хранить и подавать в двигатель. Это упрощает заправку и увеличивает запас хода. Паровые машины, особенно работающие на угле, требовали постоянного внимания кочегара для подбрасывания топлива и контроля уровня воды в котле.

5. Экономичность. Хотя паровые машины могут работать на разных видах топлива (включая дешевые уголь и дрова), более высокий КПД и развитая инфраструктура производства и доставки жидкого топлива сделали ДВС в конечном итоге более экономически выгодными для большинства применений, особенно на транспорте.

Ответ: Двигатели внутреннего сгорания вытеснили паровые машины благодаря более высокому КПД, значительно меньшим габаритам и массе, быстрому запуску, а также большему удобству в эксплуатации и обслуживании.

2. Четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — это тепловой двигатель, в котором рабочий процесс в каждом из цилиндров совершается за четыре хода поршня (такта), что соответствует двум полным оборотам коленчатого вала. Вот как это работает:

Такт 1: Впуск
Поршень движется из верхней мёртвой точки (ВМТ) в нижнюю мёртвую точку (НМТ). В это время впускной клапан открыт, а выпускной закрыт. За счет разрежения, создаваемого движущимся вниз поршнем, в цилиндр засасывается топливовоздушная смесь (в бензиновых двигателях с карбюратором или распределенным впрыском) или просто воздух (в дизельных и бензиновых двигателях с непосредственным впрыском).

Такт 2: Сжатие
Поршень начинает движение от НМТ к ВМТ. Оба клапана (впускной и выпускной) закрыты. По мере движения поршня вверх он сжимает находящуюся в цилиндре топливовоздушную смесь или воздух. Сжатие приводит к значительному повышению давления и температуры рабочего тела.

Такт 3: Рабочий ход (сгорание и расширение)
Когда поршень достигает ВМТ, сжатая смесь поджигается. В бензиновом двигателе это происходит от искры, создаваемой свечой зажигания. В дизельном двигателе топливо впрыскивается в цилиндр с сильно сжатым и горячим воздухом и самовоспламеняется. В результате сгорания топлива происходит быстрое выделение большого количества тепла, что приводит к резкому росту давления газов в цилиндре. Эти газы с огромной силой толкают поршень вниз, к НМТ. Это единственный такт из четырех, во время которого двигатель совершает полезную работу. Движение поршня через шатун передается на коленчатый вал, заставляя его вращаться.

Такт 4: Выпуск
После того как поршень достиг НМТ, открывается выпускной клапан. Поршень снова движется вверх, от НМТ к ВМТ, выталкивая отработавшие газы из цилиндра в выпускную систему. Когда поршень достигает ВМТ, выпускной клапан закрывается, и цикл начинается снова с такта впуска.

Эти четыре такта непрерывно повторяются, обеспечивая постоянное вращение коленчатого вала, которое затем используется для приведения в движение автомобиля или другого механизма.

Ответ: Работа четырёхтактного ДВС основана на циклическом повторении четырёх процессов (тактов): впуска горючей смеси, её сжатия, рабочего хода (сгорания смеси и толкания поршня) и выпуска отработавших газов. Полезная работа совершается только во время такта рабочего хода за счет энергии расширяющихся газов.