В процессе проведения работы над исследовательским проектом по физике на тему «Двигатель внутреннего сгорания» обучающийся 9 класса расширил знания об истории появления ДВС, выяснил принцип работы двигателей внутреннего сгорания, а также изучил их недостатки. В исследовательской работе по физике дается определение двигателю внутреннего сгорания (ДВС), выполняется поиск и анализ информации о первом двигателе внутреннего сгорания, рассматривается его устройство и принцип работы.

Подробнее о работе:

В готовом исследовательском проекте по физике на тему «Двигатель внутреннего сгорания» автор сделал выводы о том, что современные двигатели шагнули далеко вперед от своих предшествующих собратьев. На сегодняшний день им нет конкурентов. Возможно, если люди не придумают чего-то в корне нового, такие моторы просуществуют в нашем мире еще не одно десятилетие. Как бы хотелось, чтоб ДВС жили вечно, но их существование закончится вместе с нефтью, и придет эра электрических двигателей.

Оглавление

1. Что такое ДВС?
2. Первый двигатель внутреннего сгорания
3. Труды Жан Ленуара
4. Устройство двигателя внутреннего сгорания(ДВС)
5. Принципы работы ДВС
6. Недостатки двигателя внутреннего сгорания

Вывод

Цель: Разобраться в истории создания, устройстве и работе двигателя внутреннего сгорания.

Задачи:

• Рассмотреть историю появления ДВС.
• Выяснить принцип работы двигателей внутреннего сгорания.
• Изучить недостатки

ДВС (двигатель внутреннего сгорания) – один из самых популярных видов моторов. Это тепловой двигатель, в котором топливо сгорает непосредственно внутри него самого – во внутренней камере. Дополнительные внешние носители не требуются.
ДВС работает, благодаря физическому эффекту теплового расширения газов. Горючая смесь в момент воспламенения смеси увеличивается в объёме, и освобождается энергия.

Вне зависимости от того, о каком из ДВС идёт речь – о ДВС с искровым зажиганием – двигателе Отто (это, прежде всего, инжекторный и карбюраторный бензиновые двигатели) или о ДВС с воспламенением от сжатия (дизельный мотор, дизель) сила давления газов воздействует на поршень ДВС. Без поршня сложно представить большинство современных ДВС. В том числе, он есть даже у комбинированного ДВС. Только в последнем, кроме поршня, мотору работать помогает ещё и лопаточное оборудование (компрессоры, турбины).

Бензиновые, дизельные поршневые ДВС – это двигатели, с которыми мы активно встречаемся на любом транспорте, в том числе легковом, а ДВС, работающие не только за счёт поршня, но и за счёт компрессора, турбины – это решения, без которых сложно представить современные суда, тепловозы, автотракторную технику, самосвалы высокой грузоподъёмности, т.е. транспорт, где нужны двигатели средней (> 5 кВт) или высокой мощности (> 100 кВт).
Без двигателя внутреннего сгорания невозможно представить движение практически любого транспорта (кроме электрического) – автомобилей, мотоциклов, самолётов.

Первый двигатель внутреннего сгорания создал французский ученый де Ривас. Это произошло в 1807 году. В рабочем цилиндре устройства присутствовала смесь на основе воздуха и водорода. Она зажигалась электрической искрой от батареи Вольта. После подрыва состав расширялся, создавал в цилиндре высокое давление и подбрасывал поршень.(После отработки газ выпускался. При этом под поршнем появлялся вакуум. Под влиянием атмосферного давления и собственного веса поршень падал. После чего он возвращался в первоначальную позицию для повторения цикла)

Де Ривас применял свою разработку в качестве привода передних колес повозки. При этом в силу невысокой эффективности устройство не стало востребованным. Тем не менее, идеи ученого стали базой для дальнейших разработок в этой области.

Автором коммерчески успешного ДВС стал бельгийский изобретатель Жан Этьен Ленуар. Исследователь трудился на гальваническом заводе и однажды пришел к выводу, что топливовоздушный состав в газовом двигателе можно поджигать путем использования электрической искры. На основе этой идеи исследователь решил сделать двигатель.

Первый двухтактный газовый ДВС был создан Ленуаром в 1860 году. Его мощность составляла 8,8 киловатта, что соответствует 11,97 лошадиных сил. Устройство представляло собой горизонтальную машину двойного действия, которая работала на одном цилиндре. В основе ее функционирования лежала смесь воздуха и светильного газа.

Конструкция двигателя базировалась на использовании кривошипно-шатунного механизма.
При этом КПД составлял не больше 4,65 %. Несмотря на все минусы, двигатель Ленуара все же получил достаточно широкое распространение. Его применяли для лодок.
Ленуару далеко не сразу удалось добиться успеха. После изготовления всех элементов и сборки машины она проработала совсем недолго и прекратила функционировать. Это было связано с расширением поршня, который заклинил в цилиндре.

Чтобы устранить этот минус, Ленуар предусмотрел создание системы водяного охлаждения. Однако и вторая попытка была не особо удачной. Это вынудило исследователя дополнить конструкцию системой смазки. Лишь после этого ДВС начал нормально функционировать. Таким образом, именно Ленуару удалось первому решить проблемы смазки и охлаждения двигателя. Мощность такого устройства составляла примерно 12 лошадиных сил. При этом КПД находился на уровне 3,3 %.

В 1874 году было сделано больше 300 таких устройств, которые отличались по мощности. После того как создатель ДВС разбогател, он прекратил дальнейшую работу над конструкцией машины. Как следствие, она была вытеснена с рынка более качественным двигателем, который создал немецкий ученый Николаус Отто.

На примере современного ДВС
Корпус двигателя объединяет в единый организм:

• блок цилиндров, внутри камер сгорания которых воспламеняется топливно-воздушная смесь, а газы от этого сгорания приводят в движение поршни
• кривошипно-шатунный механизм, который передаёт энергию движения на коленчатый вал
• газораспределительный механизм, который призван обеспечивать своевременное открытие/закрытие клапанов для впуска/выпуска горючей смеси и отработанных газов
• система подачи («впрыска») и воспламенения («зажигания») топливно-воздушной смеси
• система удаления продуктов горения (выхлопных газов).

Принцип работы двухтактного двигателя

При пуске двигателя в его цилиндры через впускные клапаны впрыскивается воздушно-топливная смесь и воспламеняется там от искры свечи зажигания. При сгорании и тепловом расширении газов от избыточного давления поршень приходит в движение, передавая механическую работу на вращение коленвала. Работа поршневого двигателя внутреннего сгорания осуществляется циклически. Данные циклы повторяются с частотой несколько сотен раз в минуту.

Это обеспечивает непрерывное поступательное вращение выходящего из двигателя коленчатого вала Когда происходит запуск двигателя, поршень, увлекаемый поворотом коленчатого вала, приходит в движение. Как только он достигает своей нижней мёртвой точки (НМТ) и переходит к движению вверх, в камеру сгорания цилиндра подаётся топливновоздушную смесь.

В своём движении вверх поршень сжимает её. В момент достижения поршнем его верхней мёртвой точки (ВМТ) искра от свечи электронного зажигания воспламеняет топливно-воздушную смесь. Моментально расширяясь, пары горящего топлива стремительно толкают поршень обратно к нижней мёртвой точке
В это время открывается выпускной клапан, через который раскалённые выхлопные газы удаляются из камеры сгорания. Снова пройдя НМТ, поршень возобновляет своё движение к ВМТ. За это время коленчатый вал совершает один оборот.

При новом движении поршня опять открывается канал впуска топливно-воздушной смеси, которая замещает весь объём вышедших отработанных газов, и весь процесс повторяется заново. Ввиду того, что работа поршня в подобных моторах ограничивается двумя тактами, он совершает гораздо меньшее, чем в четырёхтактном двигателе, количество движений за определённую единицу времени. Минимизируются потери на трение. Однако выделяется большая тепловая энергия, и двухтактные двигатели быстрей и сильнее греются.

В двухтактных двигателях поршень заменяет собой клапанный механизм газораспределения, в ходе своего движения в определённые моменты открывая и закрывая рабочие отверстия впуска и выпуска в цилиндре. Худший, по сравнению с четырёхтактным двигателем, газообмен является главным недостатком двухтактной системы ДВС. В момент удаления выхлопных газов теряется определённый процент не только рабочего вещества, но и мощности.

Принцип работы четырёхтактного двигателя

Данных недостатков лишены четырёхтактные ДВС, которые, в различных вариантах, и устанавливаются на практически все современные автомобили, трактора и прочую технику. В них впуск/ выпуск горючей смеси/выхлопных газов осуществляются в виде отдельных рабочих процессов, а не совмещены со сжатием и расширением, как в двухтактных. При помощи газораспределительного механизма обеспечивается механическая синхронность работы впускных и выпускных клапанов с оборотами коленвала. В четырёхтактном двигателе впрыск топливно-воздушной смеси происходит только после полного удаления отработанных газов и закрытия выпускных клапанов.

Каждый такт работы составляет один ход поршня в пределах от верхней до нижней мёртвых точек. При этом двигатель проходит через следующие фазы работы:

• Такт первый, впуск. Поршень совершает движение от верхней к нижней мёртвой точке. В это время внутри цилиндра возникает разряжение, открывается впускной клапан и поступает топливно-воздушная смесь. В завершение впуска давление в полости цилиндра составляет в пределах от 0,07 до 0,095 Мпа; температура — от 80 до 120 градусов Цельсия
• Такт второй, сжатие. При движении поршня от нижней к верхней мёртвой точке и закрытых впускном и выпускном клапане происходит сжатие горючей смеси в полости цилиндра. Этот процесс сопровождается повышением давления до 1,2—1,7 Мпа, а температуры — до 300-400 градусов Цельсия .
• Такт третий, расширение. Топливно-воздушная сме воспламеняется. Это сопровождается выделением значительного количества тепловой энергии. Температура в полости цилиндра резко возрастает д 2,5 тысяч градусов по Цельсию. Под давлением поршень быстро движется к своей нижней мёртвой точке. Показатель давления при этом составляет от 4 до 6 Мпа
• Такт четвёртый, выпуск. Во время обратного движения поршня к верхней мёртвой точке открывается выпускной клапан, через который выхлопные газы выталкиваются из цилиндра в выпускной трубопровод, а затем и в окружающую среду. Показатели давление в завершающей стадии цикла составляют 0,1-0,12 Мпа; температуры — 600-900 градусов по Цельсию

• Безусловным минусом ДВС является высокая степень выбросов, вырабатывающихся во время езды. Главная проблема лежит в том, что топливо сгорает не полностью. На передвижение машины уходит лишь 15% горючего материала, остальное вылетает в воздух, в результате не достигшей совершенства камеры сгорания топлива. Отработанные газы включают в себя сотни вредных компонентов, тяжелых металлов и производных углеводорода.
• Всегда требуется наличие коробки переключения передач. Это устройство необходимо для того, чтобы менять передаточное число, регулирующее количество оборотов двигателя, которые в свою очередь передают энергию на колеса, и те начинают вращаться либо быстрее, либо медленнее.
• Необходимость смены масла каждые 10 000 км пробега. Это обусловлено загрязнением жидкости, попадающими в двигатель мелкими частицами, а также при появлении рабочих отходов от поршней и коленвала.
• Низкий коэффициент полезного действия. Данный показатель отражает эффективность работы двигателя относительно вырабатываемой энергии в механические силы. Его выражают в процентах. В отличие от электрических моторов, КПД которых может достигать 95%, КПД двигателей внутреннего сгорания не обладает такими показателями. Потери полезного действия происходят в результате неполного сгорания топлива, расходов на тепло, а также потери на прочее оборудование, такое как кондиционер, помпа, генератор.
• Высокая стоимость топлива. Цена за литр бензина или солярки неуклонно растет вверх. Такими темпами передвижение на автомобилях с ДВС будет большой роскошью. Выходом из данной ситуации может послужить установка газового оборудования, так как цена на газ сейчас в 2 раза меньше стоимости бензина, и пока что остается примерно на отметке в 23 рубля, в зависимости от региона

Современные двигатели шагнули далеко вперед от своих предшествующих собратьев. На сегодняшний день им нет конкурентов. Возможно, если люди не придумают чего-то в корне нового, такие моторы просуществуют в нашем мире еще не одно десятилетие. Как бы хотелось, чтоб ДВС жили вечно, но их существование закончится вместе с нефтью, и придет эра электрических двигателей.

Но, несмотря на то, что ДВС заслужили всеобщую любовь, они могут стать причиной глобального экологического кризиса. Выбросы, создаваемые в атмосферу миллионами автомобилей, поднимают реальную угрозу нашей планете.