Двигатели внутреннего сгорания.
Дизель и карбюратор. Автомобили

Дополнительный конспект по физике в 8 классе «Двигатели внутреннего сгорания ДВС. Дизель и карбюратор. Автомобили» к опорному конспекту № 14.
Вернуться к Списку конспектов по физике

Самая «автомобильная» тема в курсе физики. Заглянем под капот и разберемся, как маленький взрыв бензина заставляет многотонный автомобиль двигаться. Пройдем все 4 такта работы двигателя, поймем разницу между бензиновым и дизельным мотором, и узнаем, почему дизель экономичнее.

Что такое ДВС и его главное отличие

📌 Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — это тепловой двигатель, в котором топливо сгорает внутри самого цилиндра, а не в отдельной внешней топке (как у паровой машины).

Это дает огромное преимущество: не нужно тратить время и энергию на передачу тепла от внешнего котла к рабочему телу. Топливо сгорает прямо там, где нужно толкать поршень.

Устройство ДВС (Основные элементы)

Заглянем под капот. Главные части двигателя:

Четыре такта работы ДВС (Главное)

Такт — это одно движение поршня (вверх или вниз). За 2 оборота коленчатого вала совершается 4 такта. Поэтому двигатель называется четырехтактным.

Такт №1: Впуск
• Поршень движется вниз.
• Впускной клапан открыт, выпускной закрыт.
• Поршень как насос засасывает в цилиндр горючую смесь (пары бензина + воздух) или просто воздух (в дизеле).

Такт №2: Сжатие
• Поршень движется вверх.
• Оба клапана закрыты.
• Поршень сжимает горючую смесь в очень маленький объем. Давление и температура растут.
• В бензиновом двигателе: В конце такта свеча дает искру, смесь взрывается.

Такт №3: Рабочий ход (Сгорание и расширение)
• Смесь сгорает мгновенно, давление в цилиндре резко возрастает до 30–40 атмосфер.
• Горячие газы с огромной силой толкают поршень вниз.
• Это единственный такт, который совершает работу! Остальные три такта требуют энергии (их прокручивает маховик по инерции).
• Оба клапана закрыты.

Такт №4: Выпуск
• Поршень движется вверх.
• Выпускной клапан открыт, впускной закрыт.
• Поршень выталкивает отработанные газы из цилиндра в выхлопную трубу.
• Цикл завершен, и всё начинается сначала (Такт №1).

Цикл Отто — это теоретическая модель рабочего процесса в двигателе внутреннего сгорания (ДВС), где сгорание топливно-воздушной смеси происходит при постоянном объёме (изохорно). Он лежит в основе работы бензиновых и газовых двигателей с принудительным воспламенением от искры свечи зажигания

Карбюраторные и дизельные ДВС (Разница)

Хотя оба работают по 4 тактам, у них есть одно принципиальное отличие:

Двигатели внутреннего сгорания

Решение типовых задач на ДВС

В задачах на ДВС мы оперируем теми же понятиями, что и с любым тепловым двигателем: КПД, работа, количество теплоты. Но добавляется специфика (расход топлива на 100 км).

ЗАДАЧА №1 (КПД автомобильного двигателя)

Условие: Автомобильный двигатель совершил полезную работу 50 МДж, сжигая при этом 5 кг бензина. Удельная теплота сгорания бензина \( q = 46 \cdot 10^6 \, Дж/кг \). Найдите КПД двигателя.
Дано:
\( A_{пол} = 50 \cdot 10^6 \, Дж \)
\( m = 5 \, кг \)
\( q = 46 \cdot 10^6 \, Дж/кг \)
Решение:
1. Находим выделившуюся теплоту: \( Q = q \cdot m = 46 \cdot 10^6 \cdot 5 = 230 \cdot 10^6 = 230 \, МДж \).
2. Считаем КПД: \( \eta = \frac{A_{пол}}{Q} \cdot 100\% = \frac{50}{230} \cdot 100\% \approx 21,7\% \).
Ответ: \( \approx 21,7\% \).

ЗАДАЧА №2 (Расход топлива)

Условие: Двигатель автомобиля мощностью 50 кВт имеет КПД 25%. Сколько литров бензина (плотность 700 кг/м³) потребуется для работы двигателя в течение 2 часов? (\( q = 46 \cdot 10^6 \, Дж/кг \)).
Дано:
\( P = 50\,000 \, Вт \)
\( t = 2 \, ч = 7200 \, с \)
\( \eta = 0,25 \)
\( q = 46 \cdot 10^6 \, Дж/кг \)
\( \rho_{бенз} = 700 \, кг/м^3 \)
\( V — ? \)
Решение:
1. Находим полезную работу двигателя: \( A_{пол} = P \cdot t = 50\,000 \cdot 7200 = 360\,000\,000 \, Дж = 360 \, МДж \).
2. Так как КПД = 25%, полная теплота сгорания: \( Q_{затр} = \frac{A_{пол}}{\eta} = \frac{360}{0,25} = 1440 \, МДж = 1,44 \cdot 10^9 \, Дж \).
3. Находим массу бензина: \( m = \frac{Q}{q} = \frac{1,44 \cdot 10^9}{46 \cdot 10^6} \approx 31,3 \, кг \).
4. Находим объем бензина: \( V = \frac{m}{\rho} = \frac{31,3}{700} \approx 0,0447 \, м^3 \).
5. Переводим в литры (\( 1 \, м^3 = 1000 \, л \)): \( 0,0447 \cdot 1000 = 44,7 \, л \).
Ответ: \( \approx 44,7 \, литра \).

ЗАДАЧА №3 (Сравнение бензинового и дизельного двигателя)

Условие: Два одинаковых автомобиля (по массе и нагрузке) проехали 100 км. Бензиновый автомобиль с КПД 25% израсходовал 10 л бензина (\( \rho = 700 \, кг/м^3 \)). Дизельный автомобиль с КПД 40% израсходовал на этом же маршруте 8 л дизельного топлива (\( \rho = 830 \, кг/м^3 \)). Удельная теплота сгорания бензина \( 46 \cdot 10^6 \, Дж/кг \), дизеля \( 44 \cdot 10^6 \, Дж/кг \). Сравните, у какого автомобиля полезная работа (на движение) больше?
Дано:
Бензин: \( V_1 = 10 \, л = 0,01 \, м^3 \), \( \rho_1 = 700 \, кг/м^3 \), \( q_1 = 46 \cdot 10^6 \), \( \eta_1 = 0,25 \).
Дизель: \( V_2 = 8 \, л = 0,008 \, м^3 \), \( \rho_2 = 830 \, кг/м^3 \), \( q_2 = 44 \cdot 10^6 \), \( \eta_2 = 0,40 \).
Решение:
1. Бензиновый:
• Масса: \( m_1 = 700 \cdot 0,01 = 7 \, кг \).
• Теплота: \( Q_1 = 46 \cdot 10^6 \cdot 7 = 322 \cdot 10^6 \, Дж \).
• Полезная работа: \( A_1 = \eta_1 \cdot Q_1 = 0,25 \cdot 322 \cdot 10^6 = 80,5 \cdot 10^6 \, Дж \).
1. Дизельный:
• Масса: \( m_2 = 830 \cdot 0,008 = 6,64 \, кг \).
• Теплота: \( Q_2 = 44 \cdot 10^6 \cdot 6,64 = 292,16 \cdot 10^6 \, Дж \).
• Полезная работа: \( A_2 = \eta_2 \cdot Q_2 = 0,40 \cdot 292,16 \cdot 10^6 = 116,86 \cdot 10^6 \, Дж \).
Вывод: \( A_2 > A_1 \) (примерно в 1,45 раза). Дизельный автомобиль, даже потратив меньше топлива, совершил большую полезную работу. Именно поэтому дизели считаются экономичными.

КОРОТКО О ГЛАВНОМ (ИТОГИ)

1. ДВС — двигатель, в котором топливо сгорает внутри цилиндра.
2. 4 такта: Впуск → Сжатие → Рабочий ход → Выпуск. Работу совершает только 3-й такт (рабочий ход).
3. Бензиновый ДВС: смесь поджигается свечой зажигания (КПД ~ 25%).
4. Дизельный ДВС: воздух сжимается так сильно, что нагревается и сам поджигает топливо (КПД ~ 40%).
5. Для расчета КПД используем ту же формулу: \( \eta = A_{пол} / Q_{нагр} \).

❓ Вопрос на подумать: Почему у дизельного двигателя детали (поршни, шатуны) должны быть массивнее и прочнее, чем у бензинового такой же мощности?

Конспект урока по физике для 8 класса «Двигатели внутреннего сгорания. Дизель и карбюратор. Автомобили». Выберите дальнейшее действие:

• Вернуться к Списку конспектов по физике для 7-11 классов
• Найти конспект через Кодификатор ОГЭ по физике
• Найти конспект через Кодификатор ЕГЭ по физике