Принцип работы двигателя внутреннего сгорания и его экологичность.

Муниципальное общеобразовательное учреждение

«Турочакская средняя общеобразовательная школа имени

Героя Советского Союза Якова Илларионовича Баляева»

Итоговый индивидуальный проект

По теме «Принцип работы двигателя внутреннего сгорания

и его экологичность»

Автор работы: Цуприков Николай Васильевич, 11«А»

Руководитель: Шевченко Алексей Викторович

с. Турочак, 2021 год

Содержание

Введение…………………………………………………………………………….………  3

Глава 1. История создания двигателей внутреннего сгорания ………………….……….4

Глава 2. Принцип работы двигателей внутреннего сгорания ………………….……….. 5

        2.1. Вывод по второй главе………………………………………………………… 6

Глава 3. Экология и развитие двигателей внутреннего сгорания……………………....   7

        3.1. Вывод по третьей главе…………………………………………….…………. 10

Заключение…………………………………………………………………………………. 11

Список литературы…………………………………………………………………...……. 12

Введение

Предлагаемая проектная работа посвящена автомобильным двигателям внутреннего сгорания и минимизации их негативного влияния на экологию.

Технический прогресс во многом обязан двигателям внутреннего сгорания.

Современный масштаб выпуска машин привел к тому, что стало значительным их воздействие на окружающую среду.

Условия существования жизни на Земле возможны в очень узких пределах изменения физических и химических характеристик окружающей среды.

Размеры выбросов от двигателей внутреннего сгорания существенно меняют концентрацию химических веществ, входящих в состав воды, воздуха и почвы.

Они становятся опасными для жизни на земле, в том числе и для человека.

Цель моей проектной работы выяснить и доказать, что переход на альтернативные виды топлива приведет к улучшению эксплуатационных характеристик и минимизации негативного влияния на экологию.

Для достижения поставленной цели мне необходимо решить следующие задачи:

1. Изучить информационные источники по теме, собрать необходимую информацию;
2. Провести наблюдение работы двигателей на разных видах топлива;
3. Сравнить полученные результаты;
4. Сделать выводы.

Методы исследования:

1. Изучение литературы и других источников информации по теме;
2. Наблюдение за работой двигателей внутреннего сгорания при помощи видеороликов в сети Интернет.

Глава 1. История создания двигателей внутреннего сгорания

История создания двигателей внутреннего сгорания берет начало с 1807 года, когда изобретатель Франсуа Исаак де Риваз построил первый поршневой двигатель.

В 1876 году Николаус Август Отто построил более совершенный четырёхтактный газовый двигатель внутреннего сгорания.

В 1880-х годах Огнеслав Степанович Костович построил первый в России бензиновый карбюраторный двигатель.

Немецкий инженер Рудольф Дизель в 1897 предложил двигатель с самовоспламенением от сжатия, этот двигатель стал наиболее экономичным стационарным тепловым двигателем.

Русский ученый Густав Васильевич Тринклер, построил первый в мире бескомпрессорный нефтяной двигатель высокого давления, который получил название «русский дизель» или «Тринклер-мотор». На всемирной выставке в Париже в 1900 двигатель Дизеля получил главный приз.

В 1935 году в село Турочак пришла первая машина, а в следующем году начала свою работу первая электростанция с паровым двигателем.

Глава 2. Принцип работы двигателя внутреннего сгорания

Принцип работы классических двигателей внутреннего сгорания основан на преобразовании энергии вспышки топлива – тепловой энергии, освобожденной от сгорания топлива, в механическую.

Поршневые двигатели внутреннего сгорания классифицируются по количеству тактов в рабочем цикле на двухтактные и четырёхтактные.

Первый такт в этом процессе – одновременный впуск и сжатие, второй – опускание поршня под давлением топлива и выход продуктов сгорания из коллектора.

Рабочий цикл четырёхтактных двигателей внутреннего сгорания занимает два полных оборота кривошипа или 720 градусов поворота коленчатого вала:

Такт выпуска, такт сжатия воздуха, непосредственно рабочий такт, когда энергия сгорания топлива преобразуется в механическую и такт открытия выпускного клапана, необходим для того, чтобы отработанные газы вышли из цилиндра и освободили место новой смеси топлива и воздуха.

Изменение рабочих тактов обеспечивается специальным газораспределительным механизмом, чаще всего он представлен одним или двумя распределительными валами, системой толкателей и клапанами, непосредственно обеспечивающими смену фазы.

В зависимости от конструкции, двигатели внутреннего сгорания подразделяются на поршневые, роторно-поршневые и газовые турбины

В поршневых двигателях камерой сгорания служит цилиндр, в котором возвратно-поступательное движение поршня с помощью кривошипно-шатунного механизма преобразуется во вращение вала.

В роторно-поршневых двигателях преобразование энергии осуществляется за счёт вращения рабочими газами ротора специального профиля. Основа двигателя — треугольный ротор, вращающийся в камере особой 8-образной формы, исполняющий функции поршня, коленвала и газораспределителя. Такая конструкция позволяет осуществить любой 4-тактный цикл Дизеля, Стирлинга или Отто без применения специального механизма газораспределения.

За один оборот двигатель выполняет три полных рабочих цикла, что эквивалентно работе шестицилиндрового поршневого двигателя. Такой двигатель строился серийно в СССР ВАЗом для автомобиля «Жигули».

В газовых турбинах преобразование энергии осуществляется ротором с клиновидными лопатками.

Двигатели внутреннего сгорания, устанавливаемые на современные автомобили, имеют не один цилиндр, а несколько. Для равномерной работы мотора в один и тот же момент времени в разных цилиндрах выполняются разные такты, и каждые пол-оборота коленвала как минимум в одном цилиндре происходит рабочий ход. Благодаря этому удается избавиться от лишних вибраций, уравновешивая силы, действующие на коленвал и обеспечить ровную работу двигателя.

В зависимости от принципа подачи воздуха, двигатели бывают атмосферные и турбокомпрессорные.

Атмосферные двигатели при движении поршня затягивает порцию воздуха.

Турбокомпрессорные двигатели для вращения турбины и вдувания сжатого воздуха используют выхлопные газы.

Наиболее распространённым типом комбинированных двигателей является поршневой с турбонагнетателем. Этот комбинированный двигатель внутреннего сгорания, позволяет двигателю работать более эффективно, поскольку турбонагнетатель использует энергию выхлопных газов, которая, в противном случае, была бы (большей частью) потеряна.

К существенным недостаткам дизельных двигателей относится неизбежный значительный выброс сажи с повышенным содержанием оксидов азота в выхлопных газах.

2.1. Вывод по второй главе

Все двигатели внутреннего сгорания имеют принципиально аналогичные конструкции и схемы при широком разнообразии модификаций. Главные их преимущества: компактные размеры, высокие показатели мощности, оптимальные значения КПД. Двигатель внутреннего сгорания позволяет при работе использовать различные виды топлива, такие как бензин, дизельное топливо, природный или сжиженный газ, керосин и другие. Эта универсальность принесла заслуженную популярность и повсеместное распространение.

Глава 3. Экология и развитие двигателей внутреннего сгорания

На сегодняшний день двигатели внутреннего сгорания, работающие на продуктах нефтепереработки, оказывают наибольшее антропогенное воздействие на окружающую среду. В России на долю автотранспорта приходится больше половины всех вредных выбросов. Сейчас в биосфере Земли содержится около 3 миллионов химических соединений, никогда ранее не встречавшихся в природе.

Автомобили - главная причина появления смога в крупных городах. Доля выхлопных газов достигает 4/5 от общего объема вредных выбросов в атмосферу.

В данной таблице приведен состав выхлопных газов ДВС :

*Токсичные компоненты

** Канцерогены

Дальнейшее совершенствование традиционных автотранспортных средств на основе двигателей внутреннего сгорания, работающих на углеводородных топливах, уже не может обеспечить нормативные экологические требования, практически исключающие выброс вредных веществ в атмосферу. Необходимы новые решения и конструкции, которые позволят обеспечить необходимую чистоту и топливную экономичность.

Проблема экологической безопасности при эксплуатации двигателей внутреннего сгорания требует разработки экологически чистых моторных топлив.

Первая технология, официально получившая статус нулевого выброса -это производство электромобилей.

Концерн General Motors одним из первых приступил к продаже серийных электромобилей массового производства. Толчком к этому послужило калифорнийское законодательство, согласно которому автопроизводители, желающие присутствовать на рынке штата Калифорния, должны поставлять 2% автомобилей с нулевыми выбросами в атмосферу.

Но заманчивее всего было бы одновременно отказаться от потребления топлива, получаемого из ископаемых ресурсов, и полностью уничтожить вредные выбросы. Для этого нужно всего лишь использовать в двигателях кислородно-водородную смесь. Тогда и двигатель работает довольно эффективно, и в атмосферу выбрасывается безобидный водяной пар.

Одним из выходов может стать приспособление двигателей к работе на новом альтернативном топливе - диметиловом эфире. Его благоприятные физико-химические показатели способствуют полному устранению дымности выхлопных газов и снижению их токсичности

Гораздо в большей степени призваны сделать автомобиль «родным и близким» так называемые «гибридные» или «смешанные» силовые установки. Принцип «гибрида» состоит в том, что сама машина приводится в движение при помощи электромотора, а энергию для него вырабатывает генератор, приводимый двигателем. Возможен и второй вариант, оба мотора работают на то, чтобы приводить автомобиль в движение. Такие «гибриды» как Honda Insight, или Toyota Prius уже успели завоевать признание во всем мире.

Их постоянное совершенствование позволяет говорить об уверенном прогрессе инженеров, улучшении эксплуатационных характеристик и минимизации негативного влияния на экологию.

Большую популярность в нашей стране получили газовые двигатели, переоборудованные из традиционных бензиновых или дизельных.

И газовые, и бензиновые автомобили выбрасывают в атмосферу одинаковое количество углеводородов. Для здоровья человека опасны не сами углеводороды, а продукты их окисления. Двигатель, работающий на бензине, выбрасывает сравнительно легко окисляющиеся вещества – этил и этилен, а газовый двигатель – метан, который из всех предельных углеводородов наиболее устойчив к окислению. Поэтому углеводородный выброс газового автомобиля менее опасен. Газ как моторное топливо не только не уступает бензину, но и превосходит его по своим свойствам.

Газ, в сравнении с бензином, горит при меньших концентрациях, т.е. при более «бедных» смесях. В случае повышения концентрации газа и обогащения смеси можно добиться увеличения мощности двигателя. Обедняя смесь, наоборот, можно понизить мощность. Возникает возможность изменением состава смеси регулировать мощность двигателя: газ как топливо значительно «послушнее» бензина.

Эксплуатация показала, что автомобили на газе более выносливы – в полтора-два раза дольше работают без ремонта. При сгорании газа образуется меньше твердых частиц и золы, вызывающих повышенный износ цилиндров и поршней двигателя. Кроме того, масляная пленка дольше держится на металлических поверхностях – ее не смывает жидкое топливо, и, наконец, газ практически не вызывает коррозию металла.

По сравнению с бензином, у газа есть один недостаток: меньшая теплота сгорания. Поэтому при работе на газе мощность двигателя меньше примерно на 5 %.

По своим свойствам сжиженный пропан-бутан почти не отличается от сжатого природного газа. То же высокое октановое число, те же неплохие экологические и эксплуатационные показатели. Есть у сжиженного пропан бутана и преимущество перед метаном – 225 литров этого горючего хватает на пробег около 500 километров, а метана, помещающегося в восьми баллонах – на вдвое меньший.

Нефтяной газ представляет собой смесь пропана, бутана и незначительного количества (около 1%) непредельных углеводородов. Фактически на автомобильные газонаполнительные станции поступают две марки газа, регламентируемые соответствующими ГОСТами: зимняя (85-95% пропана) и летняя (45-55% пропана). Такое сочетание учитывает свойства СНГ в зависимости от окружающей температуры и позволяет круглый год эксплуатировать автомобиль на газе.

Природный газ является более экологичным видом топлива, чем бензин или дизтопливо. Его использование обеспечивает снижение выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду в 2-9 раз в зависимости от вида токсичного вещества.

По данным Минэнерго, в 2019 году, в России было переоборудовано на газ около 15 тысяч автомобилей.

В том же году по распоряжению Главы Турочакского района весь парк автомобилей администрации района и подведомственных учреждений был переведен на использование природного газа.

C 2020 года Правительством Республике Алтай проводится работа по переводу 150 единиц транспорта на газобаллонное оборудование.

Министерство энергетики РФ разработало программу по развитию рынка газомоторного топлива на территории всей страны, которая подразумевает переход с бензиновых заправок на метановые. В программу входит комплекс мероприятий, среди которых строительство новых АГЗС и центров обслуживания оборудования, а также реконструкция действующих заправок.

3.1. Вывод по третьей главе

      Проблема экологической безопасности при эксплуатации двигателей внутреннего сгорания требует применения экологически чистых моторных топлив.

Сжиженный газ, как автомобильное топливо экологически более чистое топливо, в выхлопе при работе на газе не содержится вредных веществ, в том числе СО.

Постоянное совершенствование автомобилей, работающих на газе, позволяет говорить об уверенном прогрессе инженеров, улучшении эксплуатационных характеристик и минимизации негативного влияния на экологию.

Заключение

Экологические проблемы использования моторных топлив приобретают все большую актуальность и масштабность, и их решение направлено на развитие безопасного транспорта, отвечающего жестким стандартам качества окружающей среды.

Общепризнано, что автомобильный транспорт создает экологические риски, связанные с воздействием на окружающую среду и здоровье населения, вносит вклад в глобальные климатические изменения. Именно в автотранспортном секторе заложен один из мощных потенциалов снижения выбросов загрязняющих веществ, связанный с его переводом на альтернативные топлива.

Согласно транспортной стратегии Российской Федерации, к 2030 году доля парка транспорта с двигателями на альтернативных видах топлива, должна составить минимум 49%

Данная концепция положена в основу распоряжения Правительства Российской Федерации от 13.05.2013 № 7672р и Перечень поручений Президента России от 14 мая 2013 г. Правительству Российской Федерации по комплексному плану расширения использования газа в качестве моторного топлива и реализации его в субъектах Российской Федерации. Перевод автотранспорта на газомоторное топливо явится наиболее эффективным мероприятием по решению экологических проблем, особенно в крупных мегаполисах России. Газомоторное топливо, как наиболее безопасное для окружающей среды, экономически целесообразное в сравнении с традиционными видами моторных топлив, имеет весомые обоснования быть наиболее востребованным в ближайшие годы.

Список использованной литературы:

1. Луканин, В. Н. Двигатели внутреннего сгорания. Теория рабочих процессов / В. Н. Луканин. – М. : Высшая школа, 1985. – 369 с.

2. Луканин, В. Н. Двигатели внутреннего сгорания. Динамика и конструирование / В. Н. Луканин. – М. : Высшая школа, 1985. – 319 с.

3. Уханов, А. П. Использование нефтепродуктов, технических жидкостей и ремонтных материалов при эксплуатации мобильных машин : учебное пособие / А. П. Уханов, Ю. В. Гуськов, И. И. Артемов, А. В. Климанов. – 2-е изд., перераб. и доп. – Самара : СГСХА, 2002. – 292 с.

4. Климанов, А. В. Теория и расчет автотракторных двигателей : учебное пособие / А. В. Климанов, Г. А. Ленивцев. – Самара, 2002. – 127 с.

5. Автомобильные двигатели: курсовое проектирование / под ред. М. Г. Шатрова. – М. : Академия, 2011. – 255 с.