走進(jìn)熱機(jī)的世界

郭勇

熱機(jī)是把燃料燃燒時(shí)釋放的內(nèi)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的裝置。熱機(jī)使人類擺脫了繁重的體力勞動(dòng)，促進(jìn)了生產(chǎn)的發(fā)展，帶來(lái)了工業(yè)革命，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中仍有不可替代的作用。下面我們一起走進(jìn)熱機(jī)的世界。

一、熱機(jī)工作沖程的判斷

熱機(jī)的工作過(guò)程有吸氣、壓縮、做功、排氣四個(gè)沖程。內(nèi)燃機(jī)四沖程的簡(jiǎn)要判斷方法是：一看氣門開(kāi)閉情況，二看指示標(biāo)志，三看活塞運(yùn)動(dòng)方向?；钊蛳逻\(yùn)動(dòng)時(shí)，若進(jìn)氣門打開(kāi)，排氣門關(guān)閉，則為吸氣沖程（一般在進(jìn)氣門處標(biāo)有吸入氣體的方向指示箭頭）;活塞向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，若兩氣門均關(guān)閉（圖片上方常有火花塞點(diǎn)火或噴油嘴噴油標(biāo)志）為做功沖程;活塞向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，若兩氣門均關(guān)閉為壓縮沖程;活塞向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，若進(jìn)氣門關(guān)閉，排氣門打開(kāi)（一般在排氣門處有排出氣體的方向指示箭頭）為排氣沖程。

例1（2019·云南·昆明）下圖是汽油機(jī)工作的四個(gè)沖程，其中表示排氣沖程的是（ ）。

解析：圖片A中，兩氣門都關(guān)閉，活塞向上運(yùn)動(dòng)，汽缸容積變小，是壓縮沖程;圖片B中，進(jìn)氣門打開(kāi)，活塞向下運(yùn)動(dòng)，且有氣體流入汽缸的指示箭頭標(biāo)志，是吸氣沖程;圖片C中，排氣門打開(kāi)，活塞向上運(yùn)動(dòng)，且有氣體流出汽缸指示箭頭標(biāo)志，是排氣沖程;圖片D中，兩氣門都關(guān)閉，活塞向下運(yùn)動(dòng)，汽缸容積變大，火花塞噴出電火花，是做功沖程。

答案：C

點(diǎn)評(píng)：在判斷時(shí)，仔細(xì)分析圖片，一要看清楚進(jìn)氣門和排氣門的開(kāi)閉情況，二要看清楚指示箭頭的方向，三要看清楚活塞運(yùn)動(dòng)方向，這是準(zhǔn)確判斷四個(gè)沖程的關(guān)鍵。

二、汽油機(jī)和柴油機(jī)的區(qū)別和聯(lián)系

汽油機(jī)和柴油機(jī)是生產(chǎn)生活中最常見(jiàn)的兩種熱機(jī)，盡管它們結(jié)構(gòu)相似，工作原理相同，但也有諸多不同，為方便同學(xué)們準(zhǔn)確掌握，用表格總結(jié)如下：

四沖程汽油機(jī)和柴油機(jī)的異同比較

[不同點(diǎn) 汽油機(jī) 柴油機(jī) 構(gòu)造 火花塞 噴油嘴 燃料 汽油 柴油 吸氣沖程吸入的物質(zhì) 空氣和汽油 空氣 壓縮沖程末汽缸內(nèi)的溫度 低 高 點(diǎn)火方式 點(diǎn)燃式 壓燃式 做功沖程燃?xì)獾膲簭?qiáng) 低 高 優(yōu)缺點(diǎn) 體積小，噪音低，轉(zhuǎn)速高 燃油經(jīng)濟(jì)性好（效率高），低速扭矩大 應(yīng)用 制造輕便機(jī)械 制造重型機(jī)械 相

同

點(diǎn) 1.構(gòu)造：主要部件有汽缸、進(jìn)氣門、排氣門、活塞、連桿、曲軸;

2.工作：都分為吸氣沖程、壓縮沖程、做功沖程、排氣沖程四個(gè)沖程 ]

例2 下列關(guān)于汽油機(jī)和柴油機(jī)的主要區(qū)別，其中錯(cuò)誤的是（ ）。

A. 柴油機(jī)的上部是噴油嘴，汽油機(jī)的頂部有火花塞

B. 在做功沖程中，柴油機(jī)的點(diǎn)火方式叫點(diǎn)燃式，汽油機(jī)的點(diǎn)火方式叫壓燃式

C. 柴油機(jī)比汽油機(jī)笨重，但燃料便宜

D. 柴油機(jī)吸入汽缸的只是空氣，汽油機(jī)吸入汽缸的是汽油和空氣的混合物

解析：汽油機(jī)和柴油機(jī)構(gòu)造上的主要不同就是柴油機(jī)的上部是噴油嘴，汽油機(jī)的頂部有火花塞，A說(shuō)法正確;在做功沖程中，柴油機(jī)的噴油嘴噴出柴油，被高溫高壓空氣點(diǎn)燃，該點(diǎn)火方式叫壓燃式，汽油機(jī)的火花塞噴出電火花，點(diǎn)燃吸入的汽油和空氣的燃料混合物，該點(diǎn)火方式叫點(diǎn)燃式，B說(shuō)法錯(cuò)誤，D說(shuō)法正確;柴油機(jī)比汽油機(jī)笨重，但燃料便宜，C說(shuō)法正確。

答案：B

點(diǎn)評(píng)：明確汽油機(jī)和柴油機(jī)的異同、準(zhǔn)確掌握表格中內(nèi)容是解題關(guān)鍵。

三、熱值及熱機(jī)效率計(jì)算

（1）熱值及熱量的計(jì)算

對(duì)于熱機(jī)中所使用的固體和液體燃料，一般情況下采用質(zhì)量反映它們的多少，所以計(jì)算公式為Q放 = qm。對(duì)于氣體燃料，一般情況下采用體積反映它們的多少，所以計(jì)算公式為Q放= qV。其中Q放表示燃料完全燃燒時(shí)所放出的熱量，該值為熱機(jī)在理想情況下所做的總功。

（2）熱機(jī)效率的計(jì)算

熱機(jī)中用來(lái)做有用功的那部分能量與燃料完全燃燒所放出的熱量之比為熱機(jī)的效率。熱機(jī)效率的計(jì)算一般有兩種方法：一種是利用有用功與總功的比值，一種是根據(jù)能流圖進(jìn)行計(jì)算。熱機(jī)效率很低，提高熱機(jī)效率的途徑有：（1）使燃料盡可能燃燒充分;（2）使用時(shí)，注意保養(yǎng)，保證良好的潤(rùn)滑，減少因克服摩擦消耗的能量;（3）在設(shè)計(jì)和制造上，不斷改進(jìn)和革新，以減小各種能量損失;（4）在提高燃料利用率主要措施上，設(shè)法利用廢氣中的能量。

例3（2019·四川·瀘州）截至2019年4月14日，瀘州云龍機(jī)場(chǎng)已開(kāi)通31條航線。從云龍機(jī)場(chǎng)飛往北京的某航班在水平跑道上加速的初始階段，飛機(jī)牽引力沿水平方向，大小為9.2 × 104 N，經(jīng)過(guò)的路程為1000 m，則牽引力所做的功為 J;若飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的效率為25%，在此過(guò)程中，消耗的汽油為 kg。（汽油的熱值q = 4.6 × 107 J/kg）

解析：（1）已知牽引力和行駛路程，可以得到牽引力做的功：飛機(jī)行駛1000 m，牽引力做的功為W = Fs = 9.2 × 104 N × 1000 m = 9.2 × 107 J。

（2）已知發(fā)動(dòng)機(jī)效率和牽引力做的功，可以得到發(fā)動(dòng)機(jī)做的功：

因?yàn)棣?= W有用/W總，所以發(fā)動(dòng)機(jī)做的功為W總 = W有用/η = 9.2 ×107 J /25% = 3.68 × 108 J，即汽油完全燃燒放出的熱量為Q = W總 = 3.68 × 108 J。因?yàn)镼 = mq，所以消耗的汽油質(zhì)量為m = Q/q = 3.68 × 108 J/ （4.6 × 107 J/kg） = 8 kg。

答案：9.2 × 107;8

點(diǎn)評(píng)：掌握基本公式是正確解答的關(guān)鍵。