2020版初中物理中考复习教师用书物理九年级上册人教版1.教学资源7.培优特训思维特训(二)四冲程内燃机

思维特训(二) 四冲程内燃机

|典|例|分|析|

四冲程内燃机中的计算

例 2017·内江汽车的发动机工作时,吸入汽缸的汽油和空气的比例,决定了汽车的动力性能和经济性能。某汽车四冲程汽油发动机的汽缸总排量为2 L (发动机每个工作循环吸入或排出的流体体积称为汽缸排量),发动机工作时,吸入汽缸的是由汽油和空气所形成的混合物,混合物的密度ρ＝1.44 kg /m 3,汽油和空气的质量比为1∶15,汽油的热值q ＝4.5×107 J /kg 。如果发动机曲轴在1 min 内转动3×103转,发动机的效率为40%,那么,在这种情况下:

(1)汽车在1 min 内做的有用功是多少？

(2)汽车在平直的公路上匀速行驶时受到的阻力为f ＝3×103 N ,汽车行驶的速度是多少？

【参考答案】(1)发动机转速为3×103 r /min ,则每分钟完成的工作循环数为1500个,其中吸气冲程1500个,吸入的混合气的体积为1500×2 L ,根据空气和汽油的质量比为15∶1

可知,汽油的质量占这些混合气体质量的116

。 每分钟吸入汽油的质量:

m ＝116ρV ＝116

×1.44 kg /m 3×1500×2×10－3 m 3＝0.27 kg ； 这些汽油完全燃烧放出的热量:

Q 放＝qm ＝4.5×107 J /kg ×0.27 kg ＝1.215×107 J ；

汽车在1 min 内做的有用功:

W ＝Q 放η＝1.215×107 J ×40%＝4.86×106 J 。

(2)汽车在1 min 内做的有用功的功率:

P ＝W t ＝4.86×106 J 60 s

＝8.1×104 W 。 因为汽车匀速行驶,所以汽车受到的阻力与牵引力是一对平衡力,大小相等,即F ＝f ＝3×103 N ,根据P ＝Fv 可得,汽车行驶的速度:

v ＝P F ＝8.1×104 W 3×103 N

＝27 m /s 。 |思|维|集|训|

1.在公路上有一辆汽车和一台拖拉机发生故障,经检查都是蓄电池坏了,不能启动,有人建议,只要把它们推动以后就可以使发动机继续工作。你认为把它们推动以后( )

A .汽车和拖拉机仍能行驶

B .只有汽车可以继续行驶,拖拉机不能行驶

C .只有拖拉机可以继续行驶,汽车不能行驶

D .都不能行驶

2.2017年全国应用物理竞赛汽油发动机工作时,汽油必须和吸进的空气成适当的比例,才能形成有效燃烧的混合气,这就是空燃比(可燃混合气中空气质量与燃油质量之比)。空燃比是发动机运转时的一个重要参数,它对尾气排放、发动机的动力性和经济性都有很大的影响。根据发动机的类型等因素,每种发动机的空燃比一般不同。某汽缸总排量为2.0 L 的4缸发动机所需的空燃比为14∶1,混合燃气的密度为1.35 kg /m 3,当发动机曲轴每分钟转2600转时,输出功率为65 kW 。此时该发动机的效率是多少？(汽油的热值为4.6×107 J /kg )

3.随着人们生活水平的不断提高,各种小汽车已经走进我们的家庭。小汽车的一些设计和使用过程中的许多现象与物理知识有关,请你用学过的物理知识解答下面的问题:

图2－TX－1

(1)普通的小汽车用的是汽油机,如图2－TX－1甲所示的是______冲程,为了不让汽油机在工作时温度升得太高,在设计制造时,汽缸外有一个水套,让汽缸被水包围着,这是通过________的方式减少汽缸内能的,用水来冷却汽缸是因为水的________较大。

(2)小明同学阅读了汽车发动机的说明书后,将内燃机的能量流向制成如图乙所示的图表,请根据给出的信息,计算完全燃烧0.2 kg的汽油能够获得________J的能量,这些能量能产生________J的有用功。(汽油的热值为4.6×107J/kg)

(3)汽车行驶时发动机产生的牵引力为F,则燃烧质量为m的汽油,能使汽车前进的距离s ＝________(汽油的热值在本小题中用q表示,效率用η表示)。

(4)为了安全,汽车采用四轮鼓式制动,有效地减小了制动距离。通过测量获得汽车以不同

:

请在图丙中描点作出s－v图象,写出s和v的定量关系式s＝______,当轿车速度为16 m/s时,对应的制动距离是______m。

4.全国第二十四届“巨人杯”物理竞赛小亮家有一辆轿车,爸爸在给他讲车的性能时,总是说“2.0的排量”,却很少说“功率”,为此小亮特地从网上查到了排量的定义:活塞从上止

点移动到下止点所通过的“工作容积”称为汽缸排量。如果发动机有若干个汽缸,所有汽缸“工作容积”之和称为发动机排量。小亮从说明书上查到家中的轿车采用的是LFX系列四缸发动机,排量为2.0 L；从网上查找到了这种轿车的输出功率与转速的关系如图2－TX－2所示。

图2－TX－2

(1)据图分析,在发动机转速为1000～5000 r/min范围内,它的输出功率与转速大致有怎样的定性关系？

(2)试通过公式推导出在其他参数相同时,轿车发动机的输出功率与其排量的关系。

(3)小亮又向爸爸询问了一些实测数据:轿车行驶的路况好,平均车速为100 km/h时,发动机转速为2000 r/min,平均油耗为9 L/100 km。参考图中的数据,分析这辆汽车在这种状态下行驶时,发动机的效率约为多少？每个做功冲程汽缸内气体的平均压强约为多少？(已知汽油的热值为4.6×107J/kg,密度为0.71×103kg/m3)

详解详析

1.C 【试题解析】汽车内部是汽油机,其压缩冲程末需要火花塞点燃汽油和空气的混合物,完成做功冲程,所以需要电瓶提供电能,若电瓶损坏就无法前进。拖拉机内部是柴油机,其点燃方式是压燃式,没有蓄电池也可以工作。所以蓄电池坏了拖拉机可以继续前进,而汽车不能。

2.发动机每分钟转2600转,则每分钟完成的工作循环数为1300个,燃烧掉的混合气的体

积为1300×2.0 L,根据空燃比为14∶1可知,汽油的质量占这些混合气的115

。 每分钟燃烧的汽油质量:

m ＝115ρV ＝115

×1.35 kg/m 3×1300×2.0×10－3 m 3＝0.234 kg ； 汽油完全燃烧释放的热量:

Q ＝qm ＝4.6×107 J/kg ×0.234 kg ＝1.0764×107 J ；

汽车实际所做的有用功:W ＝Pt ＝65 kW ×60 s ＝3.9×106 J ；

该发动机的效率为η＝W Q ×100%＝ 3.9×106 J 1.0764×107 J

×100%≈36.23%。 3.(1)做功 热传递 比热容

(2)9.2×106 2.76×106

(3)ηqm F

(4)如图所示 v 28

32

【试题解析】(1)内燃机的一个工作循环有四个冲程。即吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程,在做功冲程中,汽缸内的高温、高压燃气下压活塞,即对活塞做功,活塞由上向下运动,内能转化为机械能。同时为了避免汽油机在工作时温度升得太高,汽缸外有一个水套,让汽缸侧面被水包围,通过水吸收热量而使得汽缸温度降低,这是通过热传递的方式减少汽缸内能的。选择用水作为冷却剂,是因为水的比热容大,即相同质量的水和其他的液体若都升高1 ℃时,水能吸收的热量更多,故用水冷却效果好。

(2)汽油的热值为4.6×107 J/kg,完全燃烧0.2 kg 的汽油产生的热量:

Q 放＝mq ＝0.2 kg ×4.6×107 J/kg ＝9.2×106 J ；

由图乙可知,有用功在总能量中所占的比例为100%－33%－30%－7%＝30%,所以机械效率为η＝30%；

因此产生的有用功:W ＝Q 放×30%＝9.2×106 J ×30%＝2.76×106 J 。

(3)由题知:汽车做的功:W ′＝Fs ＝ηQ 放＝ηmq ,所以s ＝ηqm F

。 (4)根据表中的数据,在坐标图中先画点,再描线,注意横坐标是速度的平方,纵坐标为制动距离。