Страница 85 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин, Иванов

1. Какой двигатель называют двигателем внутреннего сгорания?

1. Какой двигатель называют двигателем внутреннего сгорания?

Решение:

Двигателем внутреннего сгорания (ДВС) называют тип теплового двигателя, в котором процесс сгорания топлива происходит непосредственно внутри его рабочей камеры (например, в цилиндре). Продукты сгорания в таких двигателях сами являются рабочим телом, то есть именно они, расширяясь, оказывают давление на подвижные части двигателя и совершают механическую работу.

Принцип действия ДВС основан на преобразовании химической энергии сгорающего топлива в тепловую энергию, которая, в свою очередь, преобразуется в механическую работу. Ключевая особенность, давшая название этому типу двигателей, — это то, что камера сгорания является неотъемлемой частью самого двигателя.

В отличие от ДВС, в двигателях внешнего сгорания (например, в паровой машине или двигателе Стирлинга) топливо сжигается в отдельном устройстве (топке), а выделившееся тепло передается рабочему телу (например, воде или воздуху) через стенку теплообменника.

К наиболее распространенным типам двигателей внутреннего сгорания относятся:

• Поршневые ДВС (бензиновые и дизельные), которые используются в автомобилях, мотоциклах, судах.
• Газотурбинные двигатели, применяемые в самолетах и на электростанциях.
• Реактивные двигатели, используемые в ракетах и самолетах.

Ответ: Двигателем внутреннего сгорания называют тепловой двигатель, в котором сгорание топлива и преобразование выделяющейся при этом тепловой энергии в механическую работу происходит непосредственно внутри рабочей камеры самого двигателя.

2. Пользуясь моделью простейшего двигателя внутреннего сгорания (см. рис. 42), расскажите, из каких основных частей он состоит.

Простейший двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — это тепловой двигатель, в котором химическая энергия топлива, сгорающего непосредственно в рабочей камере (внутри двигателя), преобразуется в механическую работу. Несмотря на то что в вопросе упоминается рисунок 42, который недоступен, можно описать основные части на основе стандартной модели одноцилиндрового четырёхтактного ДВС.

Основные части простейшего двигателя внутреннего сгорания:

Цилиндр — это основная деталь, образующая замкнутое пространство, внутри которого движется поршень. В верхней части цилиндра находится камера сгорания.

Поршень — подвижная деталь, которая перемещается возвратно-поступательно внутри цилиндра. Он воспринимает давление газов, образующихся при сгорании топлива, и передает это усилие через шатун на коленчатый вал.

Шатун — деталь, которая соединяет поршень с коленчатым валом. Его функция — преобразовывать возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала.

Коленчатый вал (коленвал) — вал сложной формы, который воспринимает усилия от шатунов и преобразует их во вращающий момент. Этот момент затем передается к ведущим колесам автомобиля или другому механизму.

Клапаны — в простейшей модели их два: впускной и выпускной. Впускной клапан открывается, чтобы впустить в цилиндр горючую смесь (смесь топлива и воздуха). Выпускной клапан открывается, чтобы выпустить из цилиндра отработавшие газы. Их работа строго согласована с движением поршня.

Свеча зажигания — это устройство, которое устанавливается в головке цилиндра бензинового двигателя. В нужный момент оно создает электрическую искру, которая воспламеняет сжатую топливовоздушную смесь.

Все эти части работают согласованно, обеспечивая выполнение четырех тактов рабочего цикла: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск.

Ответ: Основными частями простейшего двигателя внутреннего сгорания являются: цилиндр, поршень, шатун, коленчатый вал, впускной и выпускной клапаны, свеча зажигания.

3. За сколько тактов происходит один рабочий цикл двигателя? Сколько оборотов делает при этом коленчатый вал двигателя?

Из каких основных частей состоит двигатель внутреннего сгорания

Четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания (ДВС), к которому, по всей видимости, относится вопрос, состоит из следующих основных частей:

• Цилиндр – это полая деталь, внутри которой движется поршень и происходят все рабочие процессы (впуск, сжатие, сгорание, выпуск).
• Поршень – подвижная деталь, которая движется внутри цилиндра. Он воспринимает давление газов, образующихся при сгорании топлива, и передаёт это усилие через шатун на коленчатый вал.
• Шатун – соединительное звено между поршнем и коленчатым валом. Он преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала.
• Коленчатый вал (коленвал) – вал сложной формы с шейками, на которые крепятся шатуны. Он преобразует усилия от поршней во вращающий момент, который является полезной работой двигателя.
• Клапаны (впускной и выпускной) – устройства, которые управляют потоком газов. Впускной клапан открывается, чтобы впустить топливовоздушную смесь в цилиндр, а выпускной – чтобы выпустить отработавшие газы.
• Свеча зажигания – компонент системы зажигания (в бензиновых ДВС), который генерирует электрическую искру для воспламенения сжатой топливовоздушной смеси в нужный момент.

Ответ: Основными частями двигателя являются цилиндр, поршень, шатун, коленчатый вал, впускной и выпускной клапаны, свеча зажигания.

За сколько тактов происходит один рабочий цикл двигателя?

Полный рабочий цикл в четырёхтактном двигателе внутреннего сгорания совершается за четыре такта. Такт – это движение поршня в одном направлении, от одной крайней точки (мёртвой точки) до другой. Эти такты последовательно сменяют друг друга:

1. Впуск. Поршень движется от верхней мёртвой точки (ВМТ) к нижней мёртвой точке (НМТ). Впускной клапан открыт, и в цилиндр засасывается горючая смесь.
2. Сжатие. Поршень движется от НМТ к ВМТ. Оба клапана закрыты. Горючая смесь сжимается.
3. Рабочий ход (сгорание). В конце такта сжатия свеча зажигания воспламеняет смесь. Давление газов резко возрастает, и они толкают поршень вниз, от ВМТ к НМТ. Оба клапана закрыты. В этом такте совершается полезная работа.
4. Выпуск. Поршень движется от НМТ к ВМТ. Выпускной клапан открыт, и поршень выталкивает отработавшие газы из цилиндра.

Ответ: Один рабочий цикл двигателя происходит за четыре такта.

Сколько оборотов делает при этом коленчатый вал двигателя?

Каждый такт, то есть движение поршня из одного крайнего положения в другое, соответствует повороту коленчатого вала на половину оборота, или на $180^\circ$.

Поскольку полный рабочий цикл состоит из четырёх тактов, общее число оборотов коленчатого вала за один цикл равно:

$4 \text{ такта} \times 0.5 \text{ оборота/такт} = 2 \text{ оборота}$

Таким образом, за время одного рабочего цикла (впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск) коленчатый вал совершает два полных оборота ($360^\circ \times 2 = 720^\circ$).

Ответ: За один рабочий цикл коленчатый вал делает два оборота.

4. Опишите процессы, происходящие в двигателе в течение каждого из четырёх тактов. Как называют эти такты?

Один полный рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания (ДВС) состоит из четырёх тактов. За эти четыре такта коленчатый вал совершает два полных оборота ($360^\circ \times 2 = 720^\circ$). Это происходит потому, что каждый такт, представляющий собой движение поршня от одной мёртвой точки до другой, соответствует одному полуобороту коленчатого вала ($180^\circ$).

Рабочий цикл четырёхтактного двигателя состоит из следующих тактов:

1. Впуск. Поршень движется от верхней мёртвой точки (ВМТ) к нижней мёртвой точке (НМТ). При этом впускной клапан открыт, а выпускной закрыт. В цилиндр засасывается либо горючая смесь (в бензиновых двигателях), либо чистый воздух (в дизельных двигателях).
2. Сжатие. Поршень движется от НМТ к ВМТ. Оба клапана (впускной и выпускной) закрыты. Рабочая смесь или воздух в цилиндре сжимается, что приводит к значительному увеличению давления и температуры.
3. Рабочий ход (Расширение). В конце такта сжатия происходит воспламенение. В бензиновом двигателе горючая смесь поджигается электрической искрой от свечи зажигания. В дизельном двигателе впрыснутое топливо самовоспламеняется от высокой температуры сжатого воздуха. Образовавшиеся в результате сгорания газы расширяются и с огромной силой толкают поршень от ВМТ к НМТ. Оба клапана при этом закрыты. Это единственный такт, в ходе которого двигатель совершает полезную работу, приводя в движение коленчатый вал.
4. Выпуск. Поршень движется от НМТ к ВМТ. Выпускной клапан открыт, а впускной закрыт. Поршень выталкивает отработавшие газы из цилиндра в выпускную систему.

После завершения четвёртого такта весь цикл повторяется. Эти такты называются: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск.

Ответ: Рабочий цикл двигателя состоит из четырех тактов: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. Во время такта впуска поршень движется вниз, всасывая рабочую смесь или воздух. Во время такта сжатия поршень движется вверх, сжимая содержимое цилиндра. В начале рабочего хода происходит воспламенение, и расширяющиеся газы толкают поршень вниз, совершая работу. В течение такта выпуска поршень движется вверх, выталкивая отработавшие газы.

Несмотря на то, что оба двигателя являются ДВС и работают по четырёхтактному циклу, между карбюраторным (бензиновым) и дизельным двигателями существуют принципиальные различия:

• Способ смесеобразования. В карбюраторном двигателе горючая смесь (бензин + воздух) готовится вне цилиндра, в карбюраторе, и всасывается в цилиндр уже в готовом виде. В дизельном двигателе в цилиндр сначала всасывается чистый воздух, и только в конце такта сжатия в него под высоким давлением впрыскивается дизельное топливо.
• Способ воспламенения. В карбюраторном двигателе сжатая горючая смесь поджигается принудительно с помощью электрической искры от свечи зажигания. В дизельном двигателе происходит воспламенение от сжатия: топливо самовоспламеняется при контакте с воздухом, нагретым до очень высокой температуры (700–800 °C) в результате сильного сжатия.
• Степень сжатия. Дизельные двигатели имеют значительно более высокую степень сжатия (от 14:1 до 25:1) для достижения температуры самовоспламенения топлива. У карбюраторных двигателей степень сжатия ниже (от 8:1 до 12:1), так как более высокое сжатие привело бы к детонации (преждевременному взрывному сгоранию смеси).
• Конструкция и КПД. Дизельные двигатели не имеют системы зажигания, но оборудованы сложной топливной аппаратурой высокого давления (ТНВД, форсунки). Из-за высоких давлений они имеют более прочную и тяжелую конструкцию. Благодаря высокой степени сжатия КПД дизельных двигателей выше, что делает их более экономичными по сравнению с бензиновыми.

Ответ: Основные различия заключаются в способе приготовления рабочей смеси и её воспламенения. В карбюраторном двигателе готовая топливо-воздушная смесь всасывается в цилиндр и поджигается искрой. В дизельном двигателе всасывается чистый воздух, который сильно сжимается и нагревается, после чего в него впрыскивается топливо, которое самовоспламеняется. Это обуславливает различия в используемом топливе, степени сжатия, конструкции и коэффициенте полезного действия двигателей.

5. Каковы различия в работе карбюраторного и дизельного двигателей?

5. Каковы различия в работе карбюраторного и дизельного двигателей?

Карбюраторные (бензиновые) и дизельные двигатели являются двигателями внутреннего сгорания, однако их принципы работы существенно различаются по нескольким ключевым параметрам.

Принцип смесеобразования и впуска

В карбюраторном (бензиновом) двигателе горючая смесь (пары бензина и воздух) готовится вне цилиндра (в карбюраторе или впускном коллекторе) и всасывается в цилиндр во время такта впуска. В дизельном двигателе во время такта впуска в цилиндр поступает только чистый воздух. Топливо впрыскивается непосредственно в цилиндр под высоким давлением в конце такта сжатия.

Способ воспламенения

В бензиновом двигателе используется принудительное зажигание. Сжатая в цилиндре топливовоздушная смесь поджигается электрической искрой от свечи зажигания. В дизельном двигателе происходит воспламенение от сжатия. Воздух сжимается до такой степени, что его температура поднимается до 700–800 °C. Дизельное топливо, впрыснутое в этот раскаленный воздух, самовоспламеняется без необходимости во внешнем источнике зажигания.

Степень сжатия

Бензиновые двигатели имеют относительно низкую степень сжатия (обычно в пределах от 8:1 до 12:1), чтобы избежать детонации — преждевременного самовоспламенения смеси. Дизельные двигатели, наоборот, требуют очень высокой степени сжатия (от 14:1 до 25:1). Это необходимо для того, чтобы нагреть воздух в цилиндре до температуры, достаточной для самовоспламенения топлива.

Коэффициент полезного действия (КПД) и конструкция

Благодаря более высокой степени сжатия дизельные двигатели имеют более высокий термический КПД (до 50% и выше) по сравнению с бензиновыми двигателями (около 35-40%), что делает их более экономичными. Однако из-за значительно более высоких давлений во время рабочего хода дизельные двигатели должны иметь более прочную, тяжелую и, как следствие, более дорогую конструкцию.

Ответ: Основные различия в работе карбюраторного (бензинового) и дизельного двигателей заключаются в способе приготовления рабочей смеси (вне цилиндра у бензинового, внутри у дизельного), способе ее воспламенения (искра у бензинового, сжатие у дизельного), степени сжатия (у дизельного она значительно выше), а также в более высоком КПД и более массивной конструкции у дизельного двигателя.

1. Почему в четырёхтактном двигателе внутреннего сгорания лишь один такт называют рабочим ходом?

1. В четырёхтактном двигателе внутреннего сгорания (ДВС) полный рабочий цикл состоит из четырёх последовательных процессов, называемых тактами. Однако только один из этих тактов генерирует мощность, приводящую двигатель в движение, из-за чего его и называют «рабочим ходом». Рассмотрим каждый такт отдельно:

1. Впуск. Поршень движется от верхней мёртвой точки к нижней. Впускной клапан открыт, и в цилиндр засасывается горючая смесь (смесь топлива и воздуха). На этом этапе работа совершается за счёт энергии, запасённой в маховике от предыдущего рабочего хода, то есть двигатель потребляет энергию.

2. Сжатие. Поршень движется от нижней мёртвой точки к верхней. Оба клапана (впускной и выпускной) закрыты. Горючая смесь в цилиндре сжимается, её давление и температура повышаются. Этот такт также является подготовительным и требует затрат энергии.

3. Рабочий ход (расширение). В момент, когда поршень находится вблизи верхней мёртвой точки, сжатая горючая смесь поджигается искрой от свечи зажигания. Происходит быстрое сгорание, в результате которого давление газов резко возрастает. Эти расширяющиеся газы с большой силой толкают поршень вниз. Именно на этом такте тепловая энергия сгорания топлива преобразуется в полезную механическую работу, которая вращает коленчатый вал. Это единственный такт, который производит энергию.

4. Выпуск. Поршень снова движется от нижней мёртвой точки к верхней. Открывается выпускной клапан, и поршень выталкивает отработавшие газы из цилиндра. Этот такт также требует затрат энергии.

Таким образом, три из четырёх тактов (впуск, сжатие, выпуск) являются вспомогательными и потребляют энергию. Только третий такт – рабочий ход – производит полезную работу, которая не только обеспечивает движение транспортного средства, но и позволяет осуществить остальные три такта. Именно поэтому он и получил своё название.

Ответ: Лишь один такт в четырёхтактном ДВС называют рабочим ходом, потому что только во время этого такта (такта расширения) происходит преобразование тепловой энергии сгорающего топлива в полезную механическую работу. Остальные три такта (впуск, сжатие и выпуск) являются вспомогательными и для своего выполнения потребляют энергию, которая была произведена и запасена во время рабочего хода.

2. Какие энергетические преобразования происходят в процессе такта расширения?

Такт расширения, также известный как рабочий ход, является ключевым этапом в цикле работы теплового двигателя, например, двигателя внутреннего сгорания (ДВС). В процессе этого такта происходит основное преобразование энергии, которое обеспечивает работу всего механизма.

В начале такта расширения топливно-воздушная смесь в цилиндре уже воспламенена (например, искрой от свечи зажигания). Происходит очень быстрое, почти взрывное сгорание топлива. Это химическая реакция, в ходе которой химическая энергия, запасенная в молекулах топлива, высвобождается в виде тепловой энергии.

Выделившаяся тепловая энергия резко повышает температуру и давление газов в цилиндре. Эти горячие газы под высоким давлением начинают расширяться и с огромной силой толкают поршень вниз. Двигаясь, поршень совершает механическую работу. Таким образом, происходит второе и основное для этого такта преобразование: внутренняя (тепловая) энергия расширяющихся газов преобразуется в механическую энергию (работу).

Этот процесс описывается первым законом термодинамики. Для газа в цилиндре он выглядит так: $ \Delta U = Q - A' $ где $ \Delta U $ — это изменение внутренней энергии газа, $ Q $ — количество теплоты, подведенное к газу, а $ A' $ — работа, совершенная газом при расширении.

В идеальном случае такт расширения рассматривают как адиабатный процесс, то есть происходящий без теплообмена со стенками цилиндра ($ Q = 0 $). Тогда вся работа совершается за счет уменьшения внутренней энергии газа: $ A' = -\Delta U $. Так как внутренняя энергия газа напрямую связана с его температурой, то при совершении работы газ охлаждается.

Итак, полная цепь энергетических преобразований, связанных с тактом расширения, выглядит следующим образом: Химическая энергия топлива → Тепловая (внутренняя) энергия газа → Механическая работа.

Ответ: В процессе такта расширения внутренняя (тепловая) энергия горячих газов, образовавшихся в результате сгорания топлива, преобразуется в механическую работу, которую совершает поршень, двигаясь под давлением этих газов.

3. Зачем на ось коленчатого вала двигателя насаживают маховик (тяжелый сплошной диск)?

Решение

Маховик, представляющий собой тяжёлый сплошной диск, устанавливается на коленчатый вал двигателя для сглаживания неравномерности его вращения. Работа поршневого двигателя внутреннего сгорания циклична, и крутящий момент, передаваемый на коленчатый вал, сильно изменяется в течение одного рабочего цикла. Основные функции маховика можно объяснить с точки зрения физики вращательного движения.

Главная характеристика маховика — это его большой момент инерции ($I$). Момент инерции является мерой инертности тела во вращательном движении, подобно тому как масса является мерой инертности в поступательном движении. Чем больше момент инерции, тем сложнее изменить угловую скорость тела.

В двигателе внутреннего сгорания (например, четырёхтактном) полезная работа совершается только во время одного такта — рабочего хода, когда расширяющиеся газы толкают поршень. В остальные такты (впуск, сжатие, выпуск) двигатель сам потребляет энергию для вращения коленчатого вала. Это приводит к возникновению пульсирующего крутящего момента.

Маховик решает эту проблему следующим образом:

1. Накопление и отдача энергии. Во время рабочего хода, когда создается избыточный крутящий момент, маховик немного ускоряется, накапливая кинетическую энергию вращения, которая определяется формулой $E_k = \frac{1}{2} I \omega^2$. Затем, во время вспомогательных тактов, когда требуется затратить энергию, маховик, вращаясь по инерции, отдает накопленную энергию, поддерживая вращение коленчатого вала. Он работает как механический аккумулятор энергии.

2. Стабилизация угловой скорости. Согласно основному уравнению динамики вращательного движения, угловое ускорение $\epsilon$ связано с результирующим моментом сил $\tau$ и моментом инерции $I$ соотношением $\epsilon = \frac{\tau}{I}$. Благодаря большому моменту инерции $I$ маховика, даже при значительных колебаниях крутящего момента $\tau$, результирующее угловое ускорение $\epsilon$ оказывается небольшим. Это означает, что угловая скорость $\omega$ коленчатого вала изменяется плавно, без резких рывков, что обеспечивает более комфортную и стабильную работу двигателя и всего автомобиля.

Без маховика двигатель работал бы с сильными вибрациями и рывками, а на низких оборотах, скорее всего, глох бы между рабочими ходами поршней.

Ответ:

Маховик устанавливают на ось коленчатого вала двигателя для того, чтобы сгладить неравномерность вращения, вызванную циклическим характером работы двигателя. Обладая большим моментом инерции, маховик накапливает кинетическую энергию во время рабочего хода поршня и отдает ее во время вспомогательных тактов, тем самым стабилизируя угловую скорость коленчатого вала и обеспечивая плавную и устойчивую работу двигателя.

4. Во время образования горючей смеси в карбюраторе температура понижается. Какова причина?

4. Решение

Понижение температуры при образовании горючей смеси в карбюраторе является прямым следствием физического процесса испарения топлива. Рассмотрим этот процесс по шагам.

1. Приготовление смеси. В карбюраторе происходит смешивание жидкого топлива (например, бензина) с воздухом для создания горючей смеси, которая затем подается в цилиндры двигателя.

2. Испарение топлива. Чтобы топливо эффективно сгорало, оно должно из жидкого состояния перейти в газообразное (испариться) и равномерно перемешаться с воздухом. В карбюраторе топливо распыляется на мельчайшие капли, что значительно увеличивает площадь поверхности и ускоряет процесс испарения.

3. Поглощение энергии. Испарение — это фазовый переход, который требует затрат энергии. Эта энергия, известная как теплота парообразования, необходима молекулам жидкости для преодоления сил межмолекулярного притяжения и перехода в газовую фазу.

4. Охлаждение. Энергию, необходимую для испарения, капли топлива забирают из окружающей их среды. В данном случае средой являются поток воздуха, с которым смешивается топливо, и внутренние стенки самого карбюратора. Так как тепловая энергия отбирается у воздуха и стенок карбюратора, их температура понижается. Это, в свою очередь, приводит к охлаждению всей образующейся топливовоздушной смеси.

Это явление настолько выражено, что в условиях высокой влажности и низкой температуры воздуха на внешней поверхности карбюратора может образовываться иней или лед из-за охлаждения ниже точки замерзания воды.

Ответ: Причина понижения температуры заключается в интенсивном испарении бензина. Процесс испарения требует поглощения тепловой энергии из окружающей среды. Топливо забирает эту энергию (теплоту) у воздуха и стенок карбюратора, что и приводит к охлаждению горючей смеси.