Виды двигателей, история создания

В настоящее время почти каждый взрослый человек имеет автомобиль. Во всех городах есть транспортные линии. Каждый ребенок в детстве хочет водить автомобиль, но полезно ли будет это для него? Останется ли чистой планета до его взросления? Не будет ли загублено все живое выхлопными газами? Мы решили исследовать, что является «сердцем» всех транспортных средств, какое влияние оказывает данный объект на окружающую среду. Также на уроках физики нам было интересно узнать новое про двигатели внутреннего сгорания, все нам показалось очень занимательно. Это повлияло на тему нашей работы. Отсюда появилась цель работы: показать влияние различных типов двигателей на живые организмы и окружающую среду. Цель определила задачи: определить вид двигателя, узнать историю создания, выявить положительную и отрицательную роли, показать влияние ДВС на окружающую среду.

За сто лет, в течение которых люди используют автомобиль, изменилось практически всё: дизайн, исчезали одни автопроизводители и появлялись новые, менялась автомобильная мода. Да и чего только не менялось. Хотя нет. За все эти годы только одно, пожалуй, осталось неизменным с 1876г. - это всего лишь такты, по которым работает любой двигатель. И свершилось это благодаря изобретателю - самоучке по фамилии Отто.

Николаус Август Отто родился в небольшой деревушке Хольцхаузен на берегу реки Таунус 10 июня 1832 года. Уже через несколько лет он остался без отца, и Николаусу пришлось бросить учебу и начать работать, для того чтобы прокормить семью.

Однако жажда знаний не отпускала Николауса, и он по мере сил посещал разные курсы, в первую очередь связанные с техникой. При его работе коммивояжером, которая связана с постоянными переездами, это было достаточно трудно, но он делал это. Но предприимчивому немцу удалось найти то, что через несколько лет стало для него настоящей золотой жилой.

В конце 50-х годов ХIХ в. француз Ленуараи представил миру двухтактный двигатель собственной конструкции. Однако двигатель имел большое количество недостатков, в первую очередь небольшой ресурс и склонность к самовозгоранию. Именно его совершенствованием занялся Николаус Отто.

В результате своих изысканий он пришел к выводу, что наиболее перспективным вариантом является четырехтактный двигатель.

В принципе, эксперименты по созданию четырехтактного двигателя производились и до Отто, но авторы сталкивались с рядом проблем, в первую очередь с тем, что вспышки горючей смеси в цилиндрах происходили в настолько неожиданных последовательностях, что обеспечить ровную и постоянную передачу мощности было невозможно. Отто удалось правильно подобрать ключик к решению этой задачи, найдя, что проблема всех предшествующих конструкций двигателей была в составе смеси (пропорции горючего и окислителя), кроме того, необходимо ему было решить проблему синхронизации системы впрыска топлива и его сгорания. Именно в разработке этих проблем Николаус Отто и сосредоточил свое внимание. Кроме того, ему удалось заручиться поддержкой видного в то время промышленника Отто Йогена Лангена, основав компанию Gasmotorenfabric Deiz AG. Освободившись от забот о хлебе насущном, Отто целиком сосредоточился на поисках необходимых решений.

Результат не заставил себя ждать - уже к 1863 году был готов первый образец атмосферного газового двигателя с поршнем от авиационного

3 мотора и ручным стартером, работавшим на смеси, состав которой известен многим современным автомобилистам: 1кг горючего (Отто использовал лигроин, а сейчас мы называем это вещество бензином) на 15 кг окислителя (воздуха). Но программа - максимум была еще не выполнена: дело в том, что Отто тогда еще не удалось разработать эти знаменитые четыре такта, и он упростил конструкцию, сделав её двухтактной. Однако и это уже был прорыв! Впервые была создана конструкция по КПД, превосходившая паровой двигатель и приспособленная к эксплуатации.

В 1866 году Николаус Август Отто получил патент на свой двигатель. Интересно, что практически аналогичный двигатель был ранее запатентован французом А. Бо де Рошом, но так как ему по каким-то причинам не удалось создать действующий двигатель, патент был отдан Отто, после того как он предоставил комиссии работоспособный двигатель.

Первое достижение предало Отто сил, и он продолжил работу над совершенствованием своего двигателя. Через десять лет, в 1876 году, он патентует первый в истории четырехтактный двигатель. Двигатель, который работал по привычным для нас тактам: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск. Тактам, которые до наших дней не изменившись, так изменив наш мир.

Новый двигатель стал очень хорошо раскупаться. За 15 лет было продано

30 000 двигателей, что принесло их создателю немалый доход. Однако долгая и напряженная работа негативно сказались на здоровье Отто. С 1888г. он начал буквально угасать, а в 26 января 1891 его не стало - не выдержало сердце.

1. 2 Применение

Двигатель внутреннего сгорания - очень распространенный вид теплового двигателя. Топливо в нем сгорает прямо в цилиндре, внутри самого двигателя. ДВС применяются в автомобилях, самолетах, теплоходах, тракторах, тепловозах и т. д.

Изначально он был предусмотрен для автомобиля. Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) работают на жидком топливе (бензин, керосин, нефть) или на горючем газе.

У четырехтактных двигателей рабочий цикл каждого поршня состоит из четырех тактов. При первом ходе вниз (такт впуска) горючая смесь всасывается в полость над поршнем. Затем поршень поднимается, сжимая смесь (такт сжатия). Сжатая смесь воспламеняется искрой и заставляет поршень идти вниз (рабочий такт). После этого поршень вновь поднимается, на этот раз вытесняя отработавшие газы. После завершения четвертого хода (такта выпуска) цикл повторяется сначала.

Двигатели внутреннего сгорания можно разделять на несколько видов.

1. 3 Классификация ДВС

А. По способу смесеобразования:

• с внешним смесеобразованием, у которых горючая смесь приготовляется вне цилиндров (карбюраторные и газовые)

• с внутренним смесеобразованием (рабочая смесь образуется внутри цилиндров)- дизели.

Б. По способу осуществления рабочего цикла:

• четырехтактные

• двухтактные

В. По числу цилиндров:

• одноцилиндровые

• двухцилиндровые

• многоцилиндровые

Г. По расположению цилиндров:

• с вертикальным или наклонным расположением цилиндров в один ряд

• V-образные с расположением цилиндров под углом (при расположении цилиндров под углом 180 двигатель называется двигателем с противолежащими цилиндрами, или оппозитным)

Д. По способу охлаждения:

• с жидкостным охлаждением

• с воздушным охлаждением Ж. По виду применяемого топлива:

• бензиновые

• дизельные

• газовые

• многотопливные . По степени сжатия:

• высокого (Е=12. 18) сжатия

• низкого (Е=4. 9) сжатия

Е. По способу наполнения цилиндра свежим зарядом:

• без наддува, у которых впуск воздуха или горючей смеси осуществляется за счет разряжения в цилиндре при всасывающем ходе поршня

• с наддувом, у которых впуск воздуха или горючей смеси в рабочий цилиндр происходит под давлением, создаваемым компрессором, с целью увеличения заряда и получения повышенной мощности двигателя

И. По частоте вращения:

• тихоходные

• повышенной частоты вращения

• быстроходные

5 1. 4 Сравнение положительной и отрицательной роли ДВС

Положительная роль:

1. Благодаря ДВС осуществляется перевоз людей на автотранспорте за короткое время.

2. Расходуется небольшой объем топлива.

3. Малые затраты денежных средств при обслуживании автопарка.

Отрицательная роль:

1. Загрязнение атмосферы продуктами сгорания топлива.

2. Отрицательное влияние на здоровье людей.

3. Ухудшение биологических ресурсов мира.

Таким образом, при сравнении положительной и отрицательной роли двигателей в жизни современного человека мы выявили значимость и необходимость использования ДВС, но при этом наблюдается ухудшение экологии, что остается главной проблемой здоровья человека и окружающей среды.

1. 5 Чем можно заменить ДВС?

В настоящее время появилось большое количество двигателей на безопасном топливе. Хоть они дороги для покупки, но они не наносят значимого ущерба окружающей среде. По применению они удобны, располагают лучшему свойствами, нежели двигатели на бензине, керосине, нефти и т. д. Безопасными двигателями являются:

1. двигатели на солнечных батареях

2. двигатели на водородном топливе

3. двигатели с зарядом от батареек

2. Загрязнение окружающей среды и преодоление последствий

Человек долго использовал двигатель внутреннего сгорания, не зная о его отрицательном воздействии на человека, животных, растения. Лишь в последнее время это отрицательное воздействие заметили и начали с ним бороться. Основными загрязнителями атмосферы являются машины, особенно грузовики. Количество и концентрация вредных веществ в выхлопах зависят от вида и качества топлива. Один легковой автомобиль ежегодно поглощает из атмосферы более 4 тонн кислорода, выбрасывает с выхлопными газами около 800кг СО, 40кг оксидов азота, 200кг различных углеводов. В основном это такие вещества, как углекислый газ, угарный газ, оксиды азота, гексен, пентен, кадмий, серый ангидрид, сернистый ангидрит, свинец, хлор, и некоторые его соединения. Эти вещества отрицательно воздействуют на человека, животных, растения и вызывают глобальные изменения в биосфере.

Теперь рассмотрим их воздействия. Углекислый газ, угарный газ, оксиды серы, оксиды азота являются «парниковыми» газами, то есть вызывают парниковый эффект, выражающий в повышении температуры у поверхности земли. Его механизм заключается в образовании особого слоя в атмосфере, который отражает тепловые лучи, идущие от Земли, не давая им уходить в космическое пространство. Это может привести к таянию льда в полярных областях и, как следствие, к повышению уровня Мирового океана. Но надо сказать, что тепловой эффект почти компенсируется ледниковым эффектом. Последний вызывается слоем пылевых частиц, которые отражают тепловые лучи, идущие от Солнца, обратно в космос.

В год образуется 2,4-10 тонн СО, 7 млн. тонн СО2- Угарный газ токсичен, образует с гемоглобином в крови прочное соединение - карбоксигемоглобин, что препятствует поступлению количества О2 в мозг и, как следствие, увеличивает число психических заболеваний. SO2, NO являются мутагенами, тератогенами, образуют с туманам и смог и кислотные дожди. Оксиды серы с водой образуют серную кислоту, а оксид азота образует азотную и азотистую кислоты. У человека они вызывают поражения кожи, рахит, отек легких. У животных так же наблюдаются нарушения жизнедеятельности, и даже гибель. У растений в первую очередь поражаются листья, а в дальнейшем наблюдается гибель всего растения. Так, в Скандинавии наблюдается массовая гибель лесов по этой причине. Также эти дожди вызывают коррозию металлов и разрушение зданий. Кроме того, оксиды азота способствуют разрушению озонового слоя.

Кадмий отрицательно воздействует на костную половую систему, кору надпочечников, зубы, нарушает углеродный обмен. При большой концентрации он вызывает болезнь «итай-итай».

Свинец является тератогеном, вызывает у грудных детей нарушение ЦНС, костной системы, слуха, зрения - и в дальнейшем смерть. У взрослых он вызывает нарушение кровеносной системы.

Также ДВС поглощают кислород, уменьшая его концентрацию в атмосфере.

Эксперимент

Определение органолептических характеристик проб талой воды, взятой вдоль дороги по улице Ленина с. Мельница.

Органолептические характеристики:

• Определение запаха

• Определение характера запаха

• Определение цветности и мутности воды

А - перекресток дороги,

Б - возле железнодорожного моста,

В - возле плотины

Проба Цвет воды Мутность воды Запах воды

А (перекресток) Темно-серая Очень мутная Резкий

Б (возле моста) Светло-серая Мутная Неприятный

В (плотина) Бесцветная Прозрачная Без запаха

В пробах А ,Б - неудовлетворительные органолептические характеристики, которые свидетельствуют о загрязнениях снега, взятого с автодороги и вблизи дороги. После фильтрования на фильтре остались частички загрязнителей: пыли, сажи, шинной пыли, мелкий песок.

Проба В - чистая и прозрачная, она сравнительно чище предыдущих проб.