Страница 92 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

1. Какой двигатель называют двигателем внутреннего сгорания?

1. Какой двигатель называют двигателем внутреннего сгорания?

Решение

Двигателем внутреннего сгорания (сокращенно ДВС) называют разновидность теплового двигателя, в котором сжигание топлива (обычно в смеси с окислителем, например, воздухом) происходит непосредственно в его рабочей камере, то есть внутри самого двигателя. Этот процесс является ключевым отличием ДВС от двигателей внешнего сгорания.

Принцип работы ДВС заключается в следующем: в замкнутом объеме рабочей камеры (например, в цилиндре) сгорает топливовоздушная смесь. В результате этого процесса образуются газы с очень высокой температурой и давлением. Эти раскаленные газы расширяются и давят на подвижные элементы конструкции двигателя, такие как поршень (в поршневых ДВС) или лопатки турбины (в газотурбинных ДВС). Движение этих элементов преобразуется в полезную механическую работу, которая затем используется для приведения в движение транспортных средств или других механизмов. Таким образом, химическая энергия топлива преобразуется в механическую.

Для сравнения, в двигателях внешнего сгорания (например, в паровой машине) топливо сжигается снаружи, в отдельном котле. Полученное тепло передается рабочему телу (например, воде, которая превращается в пар) через стенку теплообменника, и уже это рабочее тело совершает работу. В ДВС же продуктами сгорания и рабочим телом являются одни и те же газы.

Примерами двигателей внутреннего сгорания являются бензиновые и дизельные двигатели, широко используемые в автомобилях, а также газотурбинные двигатели в самолетах и на электростанциях.

Ответ: Двигателем внутреннего сгорания называют тепловой двигатель, в котором топливо сгорает непосредственно внутри его рабочей камеры, а образующиеся при этом газы под высоким давлением приводят в движение его детали, совершая механическую работу.

2. Пользуясь моделью простейшего двигателя внутреннего сгорания (см. рис. 48), расскажите, из каких основных частей он состоит.

Простейший двигатель внутреннего сгорания (ДВС), работа которого основана на преобразовании тепловой энергии сгорающего топлива в механическую работу, включает в себя несколько ключевых компонентов. Ниже представлено описание основных частей, из которых он состоит.

1. Цилиндр

   Это полая деталь, внутри которой совершает возвратно-поступательное движение поршень. В верхней части цилиндра, над поршнем, находится камера сгорания, где происходит воспламенение топливно-воздушной смеси.

2. Поршень

   Подвижный элемент, который герметично закрывает цилиндр и движется внутри него. Он воспринимает давление газов, образующихся при сгорании топлива, и передает это усилие через шатун на коленчатый вал.

3. Шатун

   Деталь, которая соединяет поршень с коленчатым валом. Основная функция шатуна — преобразовывать прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала.

4. Коленчатый вал

   Вал со сложной геометрией, имеющий шейки для крепления шатунов. Он воспринимает усилия от всех поршней и преобразует их в крутящий момент, который является полезной работой двигателя и передается на трансмиссию.

5. Клапаны

   В простейшей модели четырехтактного двигателя их два на один цилиндр: впускной и выпускной. Впускной клапан открывается для подачи в цилиндр горючей смеси (смеси воздуха и паров бензина). Выпускной клапан открывается для удаления из цилиндра отработавших газов. Работа клапанов строго синхронизирована с движением поршня.

6. Свеча зажигания

   Электрическое устройство (применяется в бензиновых ДВС), которое в определенный момент времени (в конце такта сжатия) создает искру для воспламенения сжатой в цилиндре горючей смеси. Это инициирует такт рабочего хода, в котором расширяющиеся газы толкают поршень вниз.

Ответ: Основные части простейшего двигателя внутреннего сгорания включают: цилиндр, поршень, шатун, коленчатый вал, впускной и выпускной клапаны, а также свечу зажигания.

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

(см. рис. 48), расскажите, из каких основных частей он состоит.

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС), работающий по четырёхтактному циклу, состоит из нескольких ключевых компонентов. Основными частями являются: цилиндр – это основная рабочая полость двигателя; поршень – подвижная деталь, которая движется внутри цилиндра; шатун – соединяет поршень с коленчатым валом; коленчатый вал (коленвал) – преобразует поступательное движение поршня во вращательное; клапаны (впускной и выпускной) – управляют потоками горючей смеси и отработавших газов; свеча зажигания – в бензиновых двигателях создаёт электрическую искру для воспламенения смеси.

Ответ: Основные части двигателя внутреннего сгорания: 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?

Рабочий цикл четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания, как следует из названия, представляет собой последовательность из четырёх процессов, называемых тактами. Такт – это движение поршня в одном направлении (от верхней мёртвой точки до нижней или наоборот).

За каждый такт коленчатый вал совершает половину оборота ($180^\circ$). Поскольку полный рабочий цикл состоит из четырёх тактов, коленчатый вал совершит $4 \times 0.5 = 2$ полных оборота.

Ответ: Один рабочий цикл двигателя происходит за четыре такта. При этом коленчатый вал делает два оборота.

4. Опишите... (предполагается "Опишите рабочий цикл двигателя")

Рабочий цикл четырёхтактного двигателя состоит из следующих последовательных тактов:

1. Такт «Впуск». Поршень движется от верхней мёртвой точки (ВМТ) к нижней мёртвой точке (НМТ). В это время открыт впускной клапан, и в цилиндр засасывается горючая смесь (смесь паров бензина и воздуха). Коленчатый вал совершает первые пол-оборота.

2. Такт «Сжатие». Поршень движется от НМТ к ВМТ. Оба клапана (впускной и выпускной) закрыты. Горючая смесь в цилиндре сжимается, её давление и температура повышаются. К концу такта коленчатый вал завершает первый полный оборот.

3. Такт «Рабочий ход» (или «Расширение»). В момент, когда поршень достигает ВМТ, сжатая смесь воспламеняется от искры свечи зажигания. Происходит быстрое сгорание, в результате чего температура и давление газов резко возрастают. Под действием высокого давления газы толкают поршень вниз, к НМТ. Это единственный такт, во время которого двигатель совершает полезную работу. Оба клапана закрыты. Коленчатый вал совершает ещё пол-оборота.

4. Такт «Выпуск». Поршень движется от НМТ к ВМТ. Открывается выпускной клапан, и поршень выталкивает отработавшие газы из цилиндра в выхлопную систему. В конце такта выпускной клапан закрывается, и коленчатый вал завершает второй полный оборот. После этого цикл повторяется.

Ответ: Рабочий цикл состоит из четырёх тактов: 1) Впуск — поршень движется вниз, всасывая горючую смесь через открытый впускной клапан. 2) Сжатие — поршень движется вверх при закрытых клапанах, сжимая смесь. 3) Рабочий ход — искра поджигает смесь, и расширяющиеся газы толкают поршень вниз при закрытых клапанах. 4) Выпуск — поршень движется вверх, выталкивая отработавшие газы через открытый выпускной клапан.

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

4. Решение

Рабочий цикл четырехтактного двигателя внутреннего сгорания (ДВС) состоит из четырех последовательных процессов, называемых тактами. Эти такты совершаются за четыре хода поршня (два движения вверх и два вниз), что соответствует двум полным оборотам коленчатого вала ($720^\circ$).

1. Такт впуска (или всасывание)

Этот такт начинается, когда поршень находится в верхней мертвой точке (ВМТ). Поршень движется вниз к нижней мертвой точке (НМТ). Впускной клапан открывается, а выпускной клапан остается закрытым. За счет движения поршня вниз объем над ним увеличивается, создается разрежение, и в цилиндр засасывается горючая смесь (смесь воздуха с парами топлива) или чистый воздух (в дизельных двигателях). Такт заканчивается, когда поршень достигает НМТ. За это время коленчатый вал поворачивается на $180^\circ$.

2. Такт сжатия

Поршень начинает движение от НМТ к ВМТ. Оба клапана (впускной и выпускной) плотно закрыты, герметизируя пространство цилиндра. По мере движения поршня вверх объем смеси в цилиндре уменьшается, она сжимается. Вследствие сжатия значительно возрастают давление и температура горючей смеси. Коленчатый вал совершает еще один полуоборот, и его общий угол поворота достигает $360^\circ$ (один полный оборот).

3. Такт рабочего хода (или сгорание, расширение)

Когда поршень подходит к ВМТ, сжатая горючая смесь воспламеняется. В бензиновом двигателе это происходит от электрической искры свечи зажигания. В дизельном двигателе в раскаленный от сильного сжатия воздух впрыскивается топливо, которое самовоспламеняется. Происходит очень быстрое сгорание (почти взрыв), приводящее к резкому повышению температуры и давления газов в цилиндре. Образовавшиеся газы с огромной силой толкают поршень вниз, от ВМТ к НМТ. Это единственный такт, в ходе которого двигатель совершает полезную работу, приводя в движение коленчатый вал. Оба клапана в течение этого такта закрыты. Коленчатый вал поворачивается еще на $180^\circ$, достигая общего угла поворота в $540^\circ$.

4. Такт выпуска

Поршень, достигнув НМТ, снова начинает двигаться вверх к ВМТ. В этот момент открывается выпускной клапан, а впускной остается закрытым. Поршень своим движением выталкивает отработавшие газы из цилиндра через открытый выпускной клапан в выпускную систему автомобиля. Когда поршень достигает ВМТ, выпускной клапан закрывается, и цикл завершается. Коленчатый вал совершает заключительный полуоборот, и его полный угол поворота за весь цикл составляет $720^\circ$ (два полных оборота). После этого цикл повторяется снова.

Ответ: Процессы, происходящие в четырехтактном двигателе внутреннего сгорания, называются тактами. Их четыре: впуск, сжатие, рабочий ход (сгорание) и выпуск. На такте впуска цилиндр наполняется горючей смесью. На такте сжатия эта смесь сжимается поршнем. На такте рабочего хода смесь сгорает, и расширяющиеся газы толкают поршень, совершая работу. На такте выпуска отработавшие газы удаляются из цилиндра.

5. Каковы различия в работе карбюраторного и дизельного двигателей?

Как называют эти такты?

Рабочий цикл четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания состоит из четырёх последовательных процессов, называемых тактами. Каждый такт соответствует одному ходу поршня (от верхней мёртвой точки до нижней или наоборот) и занимает половину оборота коленчатого вала. Вот описание каждого такта:

1. Такт впуска. Поршень движется от верхней мёртвой точки (ВМТ) к нижней мёртвой точке (НМТ). В это время впускной клапан открыт, а выпускной закрыт. Через открытый впускной клапан в цилиндр поступает либо горючая смесь (в карбюраторных и инжекторных бензиновых двигателях), либо чистый воздух (в дизельных двигателях).
2. Такт сжатия. Поршень движется от НМТ к ВМТ. Оба клапана (впускной и выпускной) закрыты. Находящаяся в цилиндре рабочая среда (горючая смесь или воздух) сжимается, в результате чего её давление и температура значительно возрастают.
3. Такт рабочего хода (расширения). В начале этого такта, когда поршень находится вблизи ВМТ, сжатая рабочая смесь воспламеняется. В бензиновом двигателе это происходит от искры свечи зажигания, а в дизельном — от впрыска топлива в сильно сжатый и нагретый воздух (самовоспламенение). В результате сгорания топлива образуются газы с очень высоким давлением и температурой, которые толкают поршень вниз, к НМТ. Этот такт является единственным, во время которого двигатель совершает полезную работу.
4. Такт выпуска. Поршень движется от НМТ к ВМТ. Выпускной клапан открывается, а впускной остаётся закрытым. Поршень выталкивает отработавшие газы из цилиндра в выпускную систему. В конце этого такта выпускной клапан закрывается, и цикл начинается снова.

Ответ: Четыре такта работы двигателя называются: впуск, сжатие, рабочий ход (расширение) и выпуск.

Каковы различия в работе карбюраторного и дизельного двигателей?

Несмотря на то, что оба типа двигателей являются двигателями внутреннего сгорания и работают по четырёхтактному циклу, между ними существуют принципиальные различия в организации рабочего процесса. Под "карбюраторным" двигателем здесь понимается более общий класс бензиновых двигателей с искровым зажиганием.

• Способ смесеобразования. В бензиновом (карбюраторном) двигателе горючая смесь (пары бензина с воздухом) готовится, как правило, вне цилиндра (в карбюраторе или впускном коллекторе) и поступает в цилиндр уже в готовом виде во время такта впуска. В дизельном двигателе в цилиндр на такте впуска поступает только чистый воздух, а топливо (дизельное) впрыскивается под высоким давлением непосредственно в цилиндр в конце такта сжатия.
• Способ воспламенения смеси. В бензиновом двигателе сжатая горючая смесь поджигается принудительно — электрической искрой, создаваемой свечой зажигания. В дизельном двигателе воспламенение происходит от сжатия. Воздух в цилиндре сжимается настолько сильно, что его температура достигает 600–700 °C. Впрыснутое в этот раскалённый воздух топливо самовоспламеняется без какого-либо внешнего источника зажигания.
• Степень сжатия. Из-за разного способа воспламенения двигатели имеют разную степень сжатия (отношение полного объёма цилиндра к объёму камеры сгорания). У бензиновых двигателей она ниже (обычно от 8 до 12), так как слишком высокая степень сжатия приведет к преждевременному самовоспламенению смеси (детонации). У дизельных двигателей степень сжатия значительно выше (от 14 до 25), так как именно высокое сжатие необходимо для нагрева воздуха до температуры самовоспламенения топлива.
• Конструкция и КПД. Высокая степень сжатия и большее давление в цилиндрах требуют от дизельного двигателя большей прочности всех деталей, что делает его тяжелее и дороже бензинового аналога. Однако благодаря высокой степени сжатия дизельные двигатели имеют более высокий коэффициент полезного действия (КПД) и, как следствие, более экономичны.

Ответ: Основные различия заключаются в способе приготовления рабочей смеси (заранее у карбюраторного, внутри цилиндра у дизельного), способе воспламенения (от искры у карбюраторного, от сжатия у дизельного), степени сжатия (ниже у карбюраторного, выше у дизельного) и, как следствие, в конструкции, массе и КПД.

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

1. Решение

Четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания (ДВС) выполняет свой рабочий цикл за четыре хода поршня, которые называются тактами. Эти такты имеют разные цели, и только один из них производит полезную работу, что и объясняет его название.

Рабочий цикл состоит из следующих четырёх тактов:

1. Впуск: Поршень движется вниз, создавая разрежение. Впускной клапан открывается, и в цилиндр засасывается горючая смесь (топливо и воздух). На этом этапе двигатель совершает работу, затрачивая энергию.
2. Сжатие: Поршень движется вверх. Оба клапана закрыты. Горючая смесь сжимается, что приводит к увеличению её давления и температуры. Этот процесс также требует затрат энергии от двигателя.
3. Рабочий ход (или Расширение): В момент максимального сжатия свеча зажигания воспламеняет горючую смесь. Происходит её быстрое сгорание (микровзрыв), в результате чего образуется огромное давление газов. Эти газы с большой силой толкают поршень вниз. Именно на этом такте тепловая энергия сгоревшего топлива преобразуется в полезную механическую работу, которая вращает коленчатый вал. Эта работа является источником мощности всего двигателя.
4. Выпуск: Поршень снова движется вверх. Открывается выпускной клапан, и поршень выталкивает отработавшие газы из цилиндра. Этот такт также является вспомогательным и потребляет энергию.

Таким образом, из четырёх тактов только один — рабочий ход — генерирует мощность. Остальные три такта (впуск, сжатие и выпуск) являются подготовительными и необходимы для обеспечения условий для рабочего хода. Они потребляют часть энергии, которая была произведена и запасена в инерции маховика во время рабочего хода. По этой причине только третий такт называют «рабочим ходом».

Ответ: рабочий ход — это единственный из четырёх тактов, во время которого двигатель производит полезную механическую работу за счёт энергии сгорания топлива. Остальные три такта (впуск, сжатие, выпуск) являются вспомогательными и потребляют энергию, накопленную во время рабочего хода.

2. Какие энергетические преобразования происходят в процессе такта расширения?

Решение

Такт расширения, также известный как рабочий ход, является ключевым этапом в цикле работы двигателя внутреннего сгорания, поскольку именно на этом этапе производится полезная механическая работа. Энергетические преобразования в этом процессе можно описать следующей последовательностью:

1. В самом начале такта происходит воспламенение предварительно сжатой топливно-воздушной смеси. В бензиновых двигателях это происходит от искры свечи зажигания, а в дизельных — от высокой температуры вследствие сильного сжатия.
2. Преобразование химической энергии в тепловую. Процесс горения топлива представляет собой быструю экзотермическую химическую реакцию. В ходе этой реакции химическая энергия, которая была запасена в молекулярных связях топлива, высвобождается в виде большого количества тепла. Это тепло резко повышает температуру и, как следствие, давление газов, образовавшихся в камере сгорания. Таким образом, происходит первое ключевое преобразование: химическая энергия топлива переходит в тепловую (внутреннюю) энергию горячих газов.
3. Преобразование тепловой энергии в механическую. Газы, находящиеся под очень высоким давлением, с огромной силой действуют на поршень и толкают его вниз по цилиндру. Двигаясь, поршень совершает механическую работу. Эта работа через шатун передается на коленчатый вал, заставляя его вращаться. С точки зрения термодинамики, расширяющийся газ совершает работу $A'$ за счет уменьшения своей внутренней энергии $U$. Если считать процесс расширения быстрым (адиабатным), то согласно первому началу термодинамики, эта работа равна убыли внутренней энергии: $A' = -\Delta U$. Следовательно, происходит второе преобразование: тепловая (внутренняя) энергия газа преобразуется в механическую работу.

Таким образом, общая цепь энергетических преобразований на такте расширения выглядит так: химическая энергия → тепловая энергия → механическая энергия.

Ответ: В процессе такта расширения химическая энергия сгорающего топлива преобразуется во внутреннюю (тепловую) энергию образовавшихся раскаленных газов, которая, в свою очередь, преобразуется в механическую работу, совершаемую газами при перемещении поршня.

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

3. Маховик, или маховое колесо, представляет собой массивный диск, который устанавливается на коленчатый вал двигателя для выполнения нескольких ключевых функций, связанных с его инерционными свойствами.

Основная задача маховика — сглаживание неравномерности вращения коленчатого вала. В поршневых двигателях внутреннего сгорания крутящий момент создается не непрерывно, а импульсами. Например, в четырехтактном двигателе полезная работа совершается только во время одного из четырех тактов — рабочего хода. В остальные такты (впуск, сжатие, выпуск) энергия, наоборот, затрачивается на перемещение поршней и сжатие рабочей смеси.

Эти толчки и паузы приводят к тому, что угловая скорость коленчатого вала постоянно колеблется. Без маховика работа двигателя была бы очень дёрганой, с сильными вибрациями, и он мог бы даже заглохнуть между рабочими ходами.

Маховик, обладая большим моментом инерции ($I$), решает эту проблему. Момент инерции — это мера сопротивления тела изменению его скорости вращения. У сплошного диска он определяется формулой $I = \frac{1}{2}mr^2$, где $m$ — масса, а $r$ — радиус диска. Большая масса и радиус маховика обеспечивают ему значительный момент инерции.

Принцип работы маховика заключается в следующем:

• Во время рабочего хода, когда поршень передает на коленвал мощный импульс энергии, маховик накапливает эту избыточную кинетическую энергию вращения ($E_k = \frac{1}{2}I\omega^2$), незначительно увеличивая свою угловую скорость ($\omega$).
• В течение остальных, "пассивных" тактов, когда коленчатый вал должен был бы замедлиться, маховик по инерции отдает накопленную энергию, поддерживая вращение и сглаживая падение скорости.

Таким образом, маховик действует как механический аккумулятор энергии, выравнивая угловую скорость коленчатого вала и обеспечивая плавную, стабильную работу двигателя. Кроме того, маховик помогает двигателю преодолевать пиковые нагрузки и облегчает его запуск, а в автомобилях с механической коробкой передач он также является частью сцепления.

Ответ: Маховик насаживают на ось коленчатого вала для сглаживания неравномерности его вращения, которая возникает из-за того, что крутящий момент от поршней передается импульсами. Благодаря своему большому моменту инерции, маховик накапливает энергию во время рабочего хода и отдает ее в остальные такты, обеспечивая плавную и стабильную работу двигателя.

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

Понижение температуры при образовании горючей смеси в карбюраторе связано с физическим процессом испарения бензина. Процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное (испарение или парообразование) требует затрат энергии. Эта энергия, называемая удельной теплотой парообразования, поглощается веществом из окружающей среды.

В карбюраторе жидкий бензин распыляется на мельчайшие капли, которые смешиваются с проходящим потоком воздуха. Чтобы эти капли превратились в пар и образовали однородную горючую смесь, они должны испариться. Для этого процесса испарения бензин интенсивно поглощает тепло из своего окружения — от воздуха, с которым он смешивается, и от металлических стенок самого карбюратора.

В результате этого отбора тепла температура воздуха, стенок карбюратора и, следовательно, всей образующейся топливовоздушной смеси заметно понижается. Этот эффект может быть настолько сильным, что в холодную и влажную погоду на наружной поверхности карбюратора может образовываться иней или лед из-за замерзания водяного пара, содержащегося в охлажденном воздухе.

Ответ: Причиной понижения температуры является интенсивное испарение бензина, которое представляет собой эндотермический процесс, сопровождающийся поглощением тепла из окружающей среды (воздуха и стенок карбюратора).