Question

在當(dāng)今世界，研制各種機(jī)器都必需考慮節(jié)約能源和治理廢氣污染這一重要課題．在內(nèi)燃機(jī)中，廢氣帶走了很多能量，如果能將這些能量再利用起來，會(huì)使內(nèi)燃機(jī)的效率提高許多．某工廠科研人員研制生產(chǎn)的四沖程汽車專用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，就采用了很多新技術(shù)．其中最重要的一項(xiàng)叫“增壓”技術(shù)，它是利用“廢氣渦輪增壓器”使排氣沖程中排出的高溫、高壓的廢氣去沖擊“廢氣渦輪”高速旋轉(zhuǎn)，它同時(shí)又帶動(dòng)同軸的進(jìn)氣系統(tǒng)中的“進(jìn)氣渦輪”也高速旋轉(zhuǎn)，從而增加吸氣沖程的進(jìn)氣量并增大進(jìn)氣氣壓，使做功沖程中柴油燃燒的更充分，燃?xì)鈮簭?qiáng)更大，同時(shí)也減少了廢氣中的有害物質(zhì)，達(dá)到提高柴油發(fā)動(dòng)機(jī)效率和減少廢氣污染的目的．這種柴油發(fā)動(dòng)機(jī)有6個(gè)氣缸，氣缸直徑為110mm，活塞行程為135mm，當(dāng)轉(zhuǎn)速為2300r/min時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率為220kW，最低油耗可達(dá)240g/（kW?h），柴油的熱值為4.3×10⁷J/kg．請(qǐng)回答下列問題：
（1）該柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的效率最高可達(dá)多少？
（2）在做功沖程中氣缸內(nèi)的平均壓強(qiáng)是多少？
（3）如果將我國這種機(jī)型的汽車柴油發(fā)動(dòng)機(jī)都安裝“增壓器”后，能使它們的平均效率由原來約31%提高到近35%，安裝前按每年消耗3億噸柴油估算，這項(xiàng)技術(shù)每年能為我國節(jié)約多少噸柴油？
（4）如果目前我國柴油的平均價(jià)格為3750元/噸，根據(jù)上面的估算結(jié)果，計(jì)算使用“增壓”技術(shù)后僅節(jié)約柴油一項(xiàng)可使我國每年節(jié)約多少資金．由此你有哪些認(rèn)識(shí)？

Answer 1

分析：（1）知道發(fā)動(dòng)機(jī)的最低油耗為240g/kW?h，獲得1kW?h電能（有用能量）消耗240g柴油，根據(jù)這些物理量求出戰(zhàn)車的效率；
（2）知道柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速，可求每秒鐘的做功沖程數(shù)，設(shè)做功沖程中的平均壓強(qiáng)為p，則有用功率：
P=6nFL=6npsL=6npπ（

1

2

D）²L，據(jù)此求做功沖程中的平均壓強(qiáng)；
（3）由于安裝“增壓器”前后有用功是相同的，因?yàn)棣?

W有

qm

，所以可得η₁qm₁=η₂qm₂，知道安裝前按每年消耗3億噸柴油，可求每年節(jié)約柴油；
（4）知道柴油價(jià)格，可求安裝“增壓器”后，僅節(jié)約柴油一項(xiàng)每年可為國家節(jié)約的資金；我的認(rèn)識(shí)：為了節(jié)約能源，安裝增壓器．

解答：解：
（1）240g/kW?h表示獲得1kW?h電能消耗240g柴油，
所以柴油機(jī)工作時(shí)獲得的有用功為：W_有=1kW?h=3.6×10⁶J，
消耗240g的柴油完全燃燒放出的熱量為：Q=mq=0.24kg×4.3×10⁷J/kg=1.032×10⁷J，
所以柴油機(jī)的效率為：
η=

W有

Q

=

3.6×106J

1.032×107J

=34.9%；
（2）每秒鐘的做功沖程數(shù)：
n=

1

2

×

2300

60

=

230

12

，
設(shè)做功沖程中的平均壓強(qiáng)為p，則有用功率：
P=6nFL=6npsL=6npπ（

1

2

D）²L，
∴p=

4P

6nπD2L

=

4×2.2×105W

6× 230 12 ×3.14×(0.11m)2×0.135m

=1.49×10⁶Pa；
（3）∵安裝“增壓器”前后有用功是相同的，
∴η₁qm₁=η₂qm₂，
∴m₂=

η1

η2

m₁，
△m=m₁-m₂=（1-

η1

η2

）m₁=（1-

31%

35%

）×3億噸=0.34億噸；
（4）安裝“增壓器”后，僅節(jié)約柴油一項(xiàng)每年可為國家節(jié)約的資金：
3750元/t×3.4×10⁷t≈1.3×10¹¹元，
安裝“增壓器”，節(jié)約能源，利國利民！
答：（1）該柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的效率最高可達(dá)34.9%；
（2）在做功沖程中氣缸內(nèi)的平均壓強(qiáng)是1.49×10⁶Pa；
（3）這項(xiàng)技術(shù)每年能為我國節(jié)約0.34億噸柴油；
（4）使用“增壓”技術(shù)后僅節(jié)約柴油一項(xiàng)可使我國每年節(jié)約1.3×10¹¹元，安裝“增壓器”，節(jié)約能源，利國利民，
勢(shì)在必行！

點(diǎn)評(píng)：本題考查了學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)分析解釋實(shí)際現(xiàn)象的能力，設(shè)計(jì)到設(shè)計(jì)節(jié)能問題，要求靈活選用公式進(jìn)行計(jì)算．