Question

14．如圖為四缸發動機工作原理圖：內燃機通過連桿把四個氣缸的活塞連在一根曲軸上，并使各氣缸的做功過程錯開，在飛輪轉動的每半周里，都有一個氣缸在做功，其他三個氣缸分別在做吸氣、壓縮和排氣工作．
（1）發動機在做功沖程里，高溫、高壓的燃氣推動活塞向下運動，對外做功，同時將內能轉化為機械能．
（2）有一臺四缸發動機，其主要技術指標如表所示．

排　　　量	2.0L
輸出功率	120kW
轉　　　速	6000r/min

其中排量等于四個汽缸工作容積的總和，汽缸工作容積是指活塞從上止點到下止點所掃過的容積，又稱單缸排量，它取決于活塞的面積與活塞上下運動的距離（即沖程長），轉速表示每分鐘曲軸或飛輪所轉的周數．
該發動機在1s內做功1.2×10⁵J，單缸排量V=0.5L，在每個做功沖程里，發動機做功W=600J．
（3）在做功沖程里，燃氣對活塞所做的功可表示為W=pV，公式中p表示燃氣對活塞的壓強，則p=1.2×10⁶Pa．（1L=10^-3m³）
（4）如圖為發動機在做功沖程中的示意圖，下面給出了公式W=pV的證明，請將推導過程補充完整（要求各表達式均用S，L或p表示）；設活塞的面積為S，沖程長為L，燃氣對活塞的壓強為p，則燃氣對活塞的壓力F=pS，燃氣對活塞所做的功W=pSL，又根據數學知識可知發動機的單缸排量V=SL，故W=pV．

Answer 1

分析 （1）在內燃機的做功沖程中，是燃氣的內能轉化為活塞的機械能；
（2）發動機做的功W=Pt，將功率值代入即可求解；
四缸發動機的容量是2.0L，所以每個汽缸的容量是0.5L；
解決此題要知道發動機飛輪每轉動兩周里做功一次，所以結合表格數據可知，該發動機每分鐘可以做功3000次；
（3）結合公式W=pV變形可得P=$\frac{W}{V}$，將功和單缸排量值代入即可得出答案；
（4）推導公式時需要結合壓強公式、功的公式及幾何知識進行分析解答．

解答 解：
（1）在做功沖程中，燃氣對外做功，將內能轉化為機械能；
（2）已知輸出功率是120kW，所以每秒做功W=Pt=1.2×10⁵W×1s=1.2×10⁵J；
由表格信息可知，轉速為6000r/min=100r/s，
①因為四沖程內燃機每個工作循環曲軸轉兩周、做功一次，
所以1s內做功50次，
因為四缸總排量為2.0L，
單缸排量：v=$\frac{1}{4}$×2.0L=0.5L，
②根據前面計算可知，發動機在1s內做功1.2×10⁵J，
因為發動機有四個缸同時工作，所以每個缸1s內做功：
W=$\frac{1}{4}$×1.2×10⁵J=3×10⁴J，
因為1s內做功50次，
所以每個做功沖程做功：
W′=$\frac{1}{50}$×3×10⁴J=600J．
（3）因為W′=pV，V=0.5L=0.5×10^-3m³，
所以燃氣對活塞的壓強：
p=$\frac{W′}{V}$=$\frac{600J}{0.5×1{0}^{-3}{m}^{3}}$=1.2×10⁶Pa；
（4）由p=$\frac{F}{S}$可知，燃氣對活塞的壓力：F=pS，
因為在做功沖程，活塞移動的距離為L，發動機的單缸排量V=SL，
所以燃氣對活塞所做的功：W=FL=pSL=pV．
故答案為：（1）內；機械；（2）1.2×10⁵；0.5；600；（3）1.2×10⁶；（4）pS；pSL；SL．

點評 此類綜合性的題目，要結合內燃機的四個沖程特點，壓強公式及其做功公式，聯系幾何知識共同解答．