Номер 4, страница 221 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

4. По какому циклу работает дизельный двигатель?

3. ...в цилиндр двигателя внутреннего сгорания впускается воздух?

Этот принцип используется в дизельных двигателях. В отличие от бензиновых, где в цилиндр всасывается готовая топливовоздушная смесь, в дизельном двигателе на такте впуска в цилиндр поступает только чистый воздух. Это является ключевой особенностью его рабочего процесса, который построен на принципе воспламенения от сжатия:

1. Такт впуска: Поршень движется вниз, создавая разрежение, и в цилиндр через открытый впускной клапан поступает воздух.

2. Такт сжатия: Поршень движется вверх, сжимая воздух. Степень сжатия в дизельных двигателях очень высокая ($14:1$ до $25:1$), что приводит к сильному нагреву воздуха до температуры $700–900°C$ (адиабатное сжатие).

3. Впрыск и рабочий ход: В конце такта сжатия, в раскаленный воздух под высоким давлением через форсунку впрыскивается мелкораспыленное дизельное топливо. При контакте с горячим воздухом топливо самовоспламеняется, и происходит сгорание. Образовавшиеся газы с высоким давлением толкают поршень вниз, совершая полезную работу.

Таким образом, впуск чистого воздуха необходим для того, чтобы его можно было сильно сжать и нагреть до температуры самовоспламенения топлива, устраняя необходимость в системе зажигания со свечами.

Ответ: В дизельных двигателях в цилиндр впускается чистый воздух для того, чтобы при последующем сильном сжатии он нагрелся до температуры, достаточной для самовоспламенения дизельного топлива, которое впрыскивается в конце такта сжатия.

4. По какому циклу работает дизельный двигатель?

Идеализированный термодинамический цикл, описывающий рабочие процессы в поршневом дизельном двигателе, называется циклом Дизеля. Этот цикл состоит из четырех процессов:

1. Адиабатное сжатие (1→2): Рабочее тело (воздух) сжимается без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура и давление возрастают.

2. Изобарный подвод теплоты (2→3): Впрыскивается топливо, которое сгорает. Сгорание происходит в процессе движения поршня, и давление в цилиндре поддерживается примерно постоянным ($p = const$). Теплота подводится при постоянном давлении.

3. Адиабатное расширение (3→4): Продукты сгорания расширяются, совершая полезную работу (рабочий ход). Расширение происходит без теплообмена.

4. Изохорный отвод теплоты (4→1): В конце такта расширения открывается выпускной клапан, и давление в цилиндре резко падает до первоначального. Теплота отводится при постоянном объеме ($V = const$).

Основное отличие цикла Дизеля от цикла Отто (для бензиновых двигателей) заключается в способе подвода теплоты: в цикле Дизеля он изобарный (при постоянном давлении), а в цикле Отто – изохорный (при постоянном объеме).

Ответ: Дизельный двигатель работает по термодинамическому циклу Дизеля.

5. В чём преимущество дизельного двигателя по сравнению с бензиновым?

Дизельный двигатель имеет несколько ключевых преимуществ по сравнению с бензиновым двигателем:

Высокая топливная экономичность. Главное преимущество — более высокий термический КПД. Он достигается за счет значительно более высокой степени сжатия (у дизеля $ \epsilon \approx 14..25 $, в то время как у бензинового $ \epsilon \approx 8..12 $). Более высокий КПД означает, что большая часть энергии сгорания топлива преобразуется в полезную работу. В результате дизельные двигатели потребляют на 20–40% меньше топлива при равной мощности.

Высокий крутящий момент. Дизельные двигатели способны развивать значительно больший крутящий момент, особенно на низких оборотах коленчатого вала. Это обеспечивает мощную тягу "с низов", что делает их идеальными для тяжелой техники: грузовиков, автобусов, тракторов, тепловозов и больших внедорожников.

Долговечность и надежность. Конструкция дизельного двигателя изначально рассчитана на работу при более высоких давлениях, поэтому его компоненты (блок цилиндров, поршни, коленвал) изготавливаются с большим запасом прочности. Это, как правило, обеспечивает ему больший ресурс и более долгий срок службы.

Безопасность топлива. Дизельное топливо (солярка) менее летуче и имеет более высокую температуру вспышки по сравнению с бензином, что делает его менее пожароопасным при хранении, транспортировке и эксплуатации.

Ответ: Основными преимуществами дизельного двигателя являются более высокий КПД и, как следствие, топливная экономичность, высокий крутящий момент на низких оборотах, а также повышенная долговечность и надежность конструкции.