Проект: История создания двигателя внутреннего сгорания
Цель : Выявить значимость двигателя внутреннего сгорания.
Гипотеза: В качестве энергетических установок автомобилей наибольшее распространение получили двигатели внутреннего сгорания, в которых процесс сгорания топлива с выделением теплоты и превращением ее в механическую работу происходит непосредственно в цилиндрах. На большинстве современных автомобилей установлены двигатели внутреннего сгорания.
Объект исследования : Двигатель внутреннего сгорания.
Предмет исследования : виды и свойства простых двигателей, и их применение.
Задачи :
1. Изучить теорию двигателя внешнего и внутреннего сгорания.
2. Сконструировать модель на основе теории ДВС.
3.Рассмотреть влияние ДВС на окружающею среду.
4.Создать собственный продукт — презентацию по теме проекта.
Методы исследования :
Анализ – разделение изучаемого объекта, научного исследования на составные части, стороны и свойства для их изучения.
Эксперимент – это метод сбора и анализа данных, направленных на проверку гипотез относительно причинных связей между явлениями. Попытка сделать, предпринять что-нибудь новое, ранее не испытанное.
Наблюдение – метод научного исследования, заключавшийся в восприятии объекта, в ходе которого получается знание о внешних сторонах, свойствах и отношениях изучаемого объекта.
План исследования:
Этап1: Подготовительный «Разработка проектного задания»
Задачи: — формулирование изучаемых вопросов;
-обсуждение методов исследования;
-определение источников информации и продукта проекта
Этап 2: Практический «Разработка проекта»
Задачи: — сбор и уточнение информации;
Этап 3: Защита проекта.
Защиту проекта планирую в виде презентации результатов работы над проектом.
1. Введение __________________________________ 3 стр.
2. Типы (ДВС) _____________________________________4 стр.
3. История двигателя внутреннего сгорания ____________5стр.
5. Двигатель Лебона_________________________________5-7стр.
7. Источники информации____________________________19стр.
В древности люди приводили в действие простейшие механизмы руками или с помощью животных. Затем они научились использовать силу ветра, плавая на парусных кораблях. Они научились так же использовать ветер для вращения ветряных мельниц, перемалывающих зерно в муку. Позже они стали применять энергию течения воды в реках для вращения водяных колес. Эти колеса перекачивали и поднимали воду или приводили в действие различные механизмы.
История появления тепловых двигателей уходит в далекое прошлое. Хотя и двигатель внутреннего сгорания – очень сложный механизм. И функция, выполняемая тепловым расширением в двигателях внутреннего сгорания не так проста, как это кажется на первый взгляд. Да и не существовало бы двигателей внутреннего сгорания без использования теплового расширения газов.
Типы двигателей внутреннего сгорания (ДВС):
1. Поршневой ДВС
История создания двигателя внутреннего сгорания
Первым, очень примитивным двигателем сгорания можно назвать пушку. В ствол пушки закладывается заряд (рабочее тело) далее вставляется снаряд (поршень), порох заряда поджигается (воспламенение), сгорая порох, вырабатывает большое количество пороховых газов (рабочий ход), которые, расширяясь, с силой выталкивают снаряд из ствола, то есть делают необходимую работу. Далее весь цикл, пусть медленно, но повторяется.
Первые устройства, отдалённо напоминающие двигатель внутреннего сгорания тоже использовали порох. В 17-ом веке изобретатель Кристиан Хайгенс использовал водяной насос, работающий на порохе, для обеспечения водой садов Версальского дворца, которым требовалось в день не менее 3000 кубических метров воды. По существу это был первый, практически используемый, примитивный двигатель внутреннего сгорания. (По некоторым данным двигатель не был построен.) К концу 18-го века получили развитие паровые двигатели. Создатели паровых машин уже тогда понимали, что лучше топливо сжигать непосредственно в цилиндре двигателя, просто в то время не было удобного для этого процесса топлива.
В 1780-х годах изобретатель Алессандро Вольта сделал игрушечный пистолет, в стволе которого при помощи электрической искры взрывалась смесь воздуха с водородом. В результате взрыва из ствола выталкивалась пробка. На первый взгляд это не имеет отношения к двигателю внутреннего сгорания, но именно это подтолкнуло изобретателей на возможность применения в двигателе внутреннего сгорания газа, как рабочего тела, и возможность воспламенения газа при помощи электрической искры.
В последствии некоторые изобретатели, беря за основу опыты Вольта, пытались сделать двигатели внутреннего сгорания, работающие на смеси водорода с воздухом.
Двигатель Лебона
Ярким событием в долгой истории создания двигателя внутреннего сгорания было изобретение способа производства искусственного горючего газа. Способ производства горючего газа методом сухой перегонки из дерева или каменного угля был предложен французским инженером Филиппом Лебоном в 1799 году. Даже без учёта значимости этого газа в истории развития двигателя внутреннего сгорания, это изобретение сыграло важную роль в истории человечества, этот газ в начале 19-го широко использовался для освещения, что позволило заменить дорогие свечи и сделать жизнь светлее. Потому этот газ часто назвался «светильным газом», но, иногда, по способу производства газ назывался «угольным газом». Очень скоро Лебон определил, что смесь газа с воздухом легко взрывается, выделяя при этом большое количество тепла, в результате чего происходит сильное расширение сгоревшей смеси, то есть создаётся необходимое давление, которое можно использовать для получения механической энергии. На основе этого открытия в 1801 году Лебон получил патент, на двигатель, работающий на светильном газе. Предлагаемый Лебоном двигатель не сильно по конструкции отличался от парового двигателя, просто вместо пара, находящегося под давлением, Лебон предлагал вводить в цилиндр смесь светильного газа с воздухом и далее эту смесь поджигать. В конструкции двигателя предусматривалось два компрессора и смесительная камера. Один из компрессоров предварительно сжимал воздух, подаваемый в смесительную камеру, в то время как второй компрессор сжимал светильный газ, поступающий от газогенератора. Далее воздушно газовая смесь подавалась в цилиндр двигателя для последующего воспламенения. Необходимо отметить, что двигатель Лебона назывался двухсторонним двигателем, в таких конструкциях газ (рабочее тело) поочерёдно давит на поршень с двух сторон. В дополнение к этому Филипп Лебон, основываясь на сделанном Александро Вольта игрушечном пистолете, изобрёл электрическое зажигание, в котором использовалась электрическая искра. К сожалению, Филипп Лебон погиб в 1804 году. Его преждевременная кончина не позволила воплотить в жизнь мечты о создании запатентованного им газового двигателя внутреннего сгорания. В памяти человечества Филипп Лебон остался как изобретатель светильного газа, который в течении нескольких десятилетий использовался для освещения городов. А для специалистов он помнится как изобретатель газового двигателя внутреннего сгорания и электрического зажигания.
В первой половине 19-го века множество изобретателей пытались создать работающий двигатель внутреннего сгорания, только в Англии за этот период было получено более 50 (по некоторым данным 100 или даже 200) патентов на двигатель внутреннего сгорания. Подобные патенты получали и изобретатели других стран. Некоторым изобретателям удавалось только запатентовать двигатели, у некоторых получилось создать работающие двигатели, но эти двигатели не получили дальнейшего развития. Работы некоторых изобретателей были очень интересны, но описать все конструкции в пределах одной статьи невозможно. Поэтому в дальнейшем остановимся только на самых ярких событиях и личностях, сыгравших заметную роль в истории создания и развития двигателя внутреннего сгорания.
В 1824 году произошло очень важное для развития двигателей внутреннего сгорания событие. Французский физик и военный инженер Карно, на основе законов термодинамики, в своей работе «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу», теоретически описал работу идеального теплового двигателя. Что особенно необходимо отметить, в своей работе Карно теоретически обосновал необходимость сжатия горючей смеси перед воспламенением.
И несмотря на то, что Карно сам не создавал двигателя внутреннего сгорания, этот человек сыграл очень большую роль в создании и развитии теплового двигателя. Именно на теории Карно были созданы двигатели внутреннего сгорания Отто и Дизеля, являющиеся основой всех современных двигателей.
Двигатель Барсанти и Матечи.
Барсанти и Матечи
Итальянские изобретатели Барсанти и Матечи 12 июня 1854 года запатентовали в Лондоне свой двигатель внутреннего сгорания. Двигатель был запатентован в Лондоне, потому что итальянское законодательство того времени не обеспечивало надежной международной защиты.
Это был двигатель со свободным поршнем, расширяющиеся газы, преодолевая усилие давления атмосферы и веса поршня, поднимали поршень вверх. Для воспламенения рабочей смеси использовалась электрическая искра. После охлаждения газов под поршнем образовывалось разрежение и поршень, под действием давления атмосферы, опускался вниз, производя при этом полезную механическую работу.
Схема двигателя.
Двигатель Ленуара
Жан Этьен Ленуар
К середине 19-го века идея создания двигателя внутреннего сгорания висела в воздухе. Многие изобретатели в разных странах создавали опытные конструкции двигателей, работающих на смеси водорода и воздуха, на светильном газе, на угольной пыли и даже на жидком топливе, используя для этого различные горючие жидкости.
Но создать практически работающий двигатель внутреннего сгорания, работающей на светильном газе, и первым наладить его коммерческое производство удалось только бельгийскому инженеру Этьену Ленуару (1822-1900) в 1860 году.
Работая на бельгийском гальваническом заводе, Ленуар ознакомился с принципами электротехники. Эксперименты с электричеством, проводившиеся Ленуаром в 1859 году привели его к идее использования электрической искры для воспламенения воздушно-газовой смеси. Это привело его к решению создать двигатель, использующий этот принцип. Возможно, Ленуар был знаком с работами Лебона.
В 1860 году Ленуар получил патент на свой двигатель. И в течение этого же года Ленуар построил двигатель, работающий на основе полученного патента. Многие инженеры, современники Ленуара, не считали его двигатель самостоятельным изобретением, поскольку Ленуар собрал вместе узлы и детали, широко применявшиеся и ранее. Но двигатель Ленуара оказался первым, практически работающим двигателем внутреннего сгорания, выпускавшимся серийно и получившим коммерческое продолжение.
Принцип работы двигателя Ленуара.
По своей компоновке и конструкции двигатель Ленуара имел все признаки паровой машины, в этом он почти не отличался от двигателя Лебона. Как и в паровой машине, основой двигателя являлся цилиндр в центре которого находился поршень, перемещающийся от одного крайнего положения к другому. По существу в одном цилиндре были расположены две камеры сгорания. Только в цилиндр двигателя подавался не пар под давлением, а подавалась смесь воздуха со светильным газом. При прохождении поршнем половины хода от крайнего положения, в освободившийся за поршнем объём цилиндра подавался светильный газ и воздух, перемешиваясь, они образовывали горючую воздушно-газовую смесь. Воздушно-газовая смесь, находящаяся в цилиндре под атмосферным давлением, воспламенялась при помощи электрической искры, происходило бурное сгорание смеси с её расширением, и вторую половину хода поршень проходил под воздействием усилия давления расширяющихся газов, что и обеспечивало полезную работу двигателя. Одновременно с этим открывшийся верхний золотниковый клапан обеспечивал выход отработавших газов с другой стороны поршня. Машина была двойного действия с золотниковым распределением рабочего тела: нижний золотник обеспечивал поочередную подачу воздуха и газа в полости цилиндра, расположенные по разные стороны поршня, при этом верхний золотник обеспечивал поочередный выпуск отработавших продуктов сгорания противоположных полостей цилиндра. Кривошипный механизм двигателя преобразовывал возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение маховика. За один оборот вала двигателя происходило два воспламенения воздушно-газовой смеси, поочередно с каждой стороны поршня, при этом сжатие смеси отсутствовало. На этом основании двигатель Ленуара попадает в группу атмосферных двигателей.
Общий вид двигателя Ленуара.
Двигатель имел следующие технические особенности: светильный газ и воздух подавались в цилиндр двигателя по отдельности, и только в цилиндре двигателя происходило их перемешивание. Этим двигатель Ленуара отличался от двигателя Лебона, в котором смешивание газа и воздуха происходило в отдельной смесительной камере. Две электрические свечи, вставленные с обеих сторон в цилиндр двигателя, поочерёдно обеспечивали воспламенение воздушно-газовой смеси в обеих камерах цилиндра. В систему зажигания также входили медно-цинковые батареи, катушка Румкорфа (прабабушка современных батарейных систем зажигания) и автоматический ползунковый распределитель зажигания. Этот примитивный распределитель, в отличие от современных механических распределителей зажигания, не распределял искру между цилиндрами многоцилиндрового двигателя, а распределял искру между двумя свечами, установленными в противоположные полости одного цилиндра двигателя двухстороннего действия.
Двигатель Ленуара, как и двигатель Лебона, был двигателем двухстороннего действия, воздушно-газовая смесь поочерёдно подавалась с обеих сторон поршня. По существу это был двухтактный двигатель, поскольку рабочий цикл двигателя осуществлялся за два движения поршня. На первом такте происходил впуск смеси в цилиндр, воспламенение и расширение (силовая часть) воздушно-топливной смеси в цилиндре. На следующем такте отработавшие газы выходили из цилиндра. Переключение между выпуском и впуском осуществлялось золотниковым клапаном, который в свою очередь приводился при помощи эксцентрикового кулачка, установленного на вал отбора мощности. Создать сразу работающий двигатель оказалось не так просто. Первая модель двигателя проработала очень короткий промежуток времени, поскольку поршень заклинило в цилиндре по причине перегрева. Для устранения этой неисправности в следующей модели двигателя Ленуар предусмотрел водяное охлаждение (чего не было на паровых машинах). Но сразу выявилась следующая неисправность, двигатель не удалось запустить, поскольку поршень очень тяжело перемещался в цилиндре. Эту проблему Ленуар решил, добавив в конструкцию двигателя систему смазки. В результате этих улучшений третий вариант двигателя, наконец, заработал. Скорость вращения колебалась в довольно широких пределах (от 102 до 140 об/мин). Мощность двигателя была чуть больше 0,5 л. с. при диаметре цилиндра 120 мм и ходе поршня 100 мм.
Преимущество двигателя внутреннего сгорания, работающего на светильном газе, по сравнению с паровым двигателем, заключалось в более лёгкой эксплуатации газового двигателя. Двигатель быстро запускался, когда это было необходимо. Кроме того, газовый двигатель был более безопасным, поскольку он не имел парового котла с высоким давлением пара и не имел топки. Но при этом двигателя внутреннего сгорания не стал легче парового двигателя и мог использоваться только как стационарный. Светильный газ был очень дорог, а двигатель Ленуара отличался особой прожорливостью, каждая единица мощности, выработанная двигателем внутреннего сгорания, обходилась владельцу в семь раз дороже по сравнению с паровым двигателем. На выработку мощности одной лошадиной силы в течение часа двигатель потреблял не менее 3 кубических метров газа. Поскольку большая часть тепловой энергии уходила вместе с выпускными газами, коэффициент полезного действия двигателя не превышал 4%. После того, как скорость вращения поднималась до 100 об/мин, по причине неудовлетворительной работы электрического зажигания, появлялись пропуски воспламенения. А для охлаждения двигателя требовалось 120 м³ воды в час, так как во время работы двигателя выделялось большое количество теплоты. Температура горящего газа поднималась до 800.С, по этой причине выпускной золотниковый клапан перегревался и в результате этого происходило заклинивание клапана. Подшипники двигателя требовали обильной смазки, даже при небольшом уменьшении смазки двигатель заклинивало. В то время относительно двигателя Ленуара существовала злая шутка, что этот двигатель работает не на газе, а на масле. Учитывая выше сказанное, двигатель Ленуара был крайне непрактичным механизмом. Но, не смотря на все присущие этому двигателю недостатки, на тот момент это был единственный практически работающий двигатель внутреннего сгорания, использующий в виде топлива светильный газ. После того как в 1864 году двигатель Ленуара получил приз на всемирной выставке в Париже, популярность его быстро увеличилась. Только за 1864 было построено не менее 300 двигателей Ленуара. Двигатель Ленуара позволил заменить паровую машину там, где её применение было затруднительно.
Большинство выпускаемых двигателей имели мощность 3 л.с., но в производстве был ряд двигателей, мощностью от 0,5 до 6 лошадиных сил. Первоначально спрос на двигатели был достаточно высоким, только во Франции было выпущено от 300 до 400 двигателей, около 100 двигателей было выпущено в Англии, также двигатели выпускались и в Америке, но точное количество выпушенных в Америке двигателей не известно.
К сожалению, двигатель Ленуара не оправдал возложенных на него ожиданий, да и рекламных заявлений, рассыпаемых Ленуаром, и его популярность исчезла так же быстро, как и появилась. Ленуар не смог обеспечить модернизацию и усовершенствование работающего двигателя. К концу 1860-х годов производство атмосферных двигателей конструкции Ленуара было прекращено. Более того, никто больше не рисковал применять на двигателе внутреннего сгорания ненадёжную систему электрического зажигания, повсеместно стало стандартом применение зажигания при помощи открытого пламени, вплоть до 1888 года, когда появились зажигание при помощи накалённой головки или калильной трубки. В 1867 году на рынке появляются значительно более экономичные и удобные в эксплуатации двигатели внутреннего сгорания, и спрос на двигатели Ленуара сразу упал. В общей сложности, на рынок было выпущено более пяти тысяч двигателей Ленуара, нашедших применение в мелких мастерских. В 1863 году Ленуар модернизировал свой двигатель. Модернизированный двигатель работал не на газовом топливе, а на керосине, для работы на керосине на двигатель был установлен примитивный карбюратор. Этот двигатель Ленуар установил на простейшую повозку, на которой проехал более 50 километров.
В 1861 году французский инженер Бо де Роше тиражом 300 экземпляров издал книгу «Новый принцип работы двигательных машин, в коих топливо сжигается внутри цилиндра», в которой он обосновывал принципы работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания.
В своей работе Бо де Роше отметил важность предварительного сжатия рабочей смеси перед воспламенением. Эта брошюра была издана за 16 лет до момента регистрации патента немецкого инженера Николауса Отто, во всём мире считающегося изобретателем четырёхтактного двигателя сгорания с предварительным сжатием рабочей смеси. Сам Бо де Роше двигатель не построил.
В то время термином «Атмосферный двигатель» обозначались двигатели внутреннего сгорания, в которых отсутствовало сжатие рабочей смеси перед воспламенением.
В настоящее время этот термин имеет совсем другое значение. Современные двигатели могут быть с наддувом и без наддува. Двигатели, не имеющие наддува (принудительного нагнетания воздуха в систему впуска двигателя), называются атмосферными.
Катушка Румкорфа, очень напоминает катушку зажигания современного двигателя внутреннего сгорания. Конструкция катушки довольно проста, на металлический сердечник намотаны две обмотки. Первичная – небольшое количество витков толстого провода, а вторичная – большое количество витков тонкого провода. При подсоединении и отсоединении первичной обмотки к гальваническим элементам (батареям) во вторичной обмотке кратковременно генерируется ток высокого напряжения.
Двигатель внутреннего сгорания
Значительный рост всех отраслей народного хозяйства требует перемещения большого количества грузов и пассажиров. Высокая маневренность, проходимость и приспособленность для работы в различных условиях делает автомобиль одним из основных средств перевозки грузов и пассажиров. На долю автомобильного транспорта приходится свыше 80% грузов, перевозимых всеми видами транспорта вместе взятыми, и более 70% пассажирских перевозок. За последние годы заводами автомобильной промышленности освоены многие образцы модернизированной и новой автомобильной техники, в том числе для сельского хозяйства, строительства, торговли, нефтегазовой и лесной промышленности. В настоящее время существует большое количество устройств, использующих тепловое расширение газов. К таким устройствам относится карбюраторный двигатель, дизели, турбореактивные двигатели и т. д.
Тепловые двигатели могут быть разделены на две основные группы:
1. Двигатели с внешним сгоранием.
2. Двигатели внутреннего сгорания.
Тепловое расширение нашло свое применение в различных современных технологиях. В частности можно сказать о применении теплового расширения газа в теплотехники. Так, например, это явление применяется в различных тепловых двигателях, т. е. в двигателях внутреннего и внешнего сгорания:
* Роторных двигателях;
* Реактивных двигателях;
* Турбореактивных двигателях;
* Газотурбинные установки;
* Двигателях Ванкеля;
* Двигателях Стирлинга;
* Ядерные силовые установки.
Тепловое расширение воды используется в паровых турбинах и т. д. Все это в свою очередь нашло широкое распространение в различных отраслях народного хозяйства. Например, двигатели внутреннего сгорания наиболее широко используются:
* Транспортные установки;
* Сельскохозяйственные машины.
В стационарной энергетике двигатели внутреннего сгорания широко используются:
* На небольших электростанциях;
ДВС получили большое распространение также в качестве привода компрессоров и насосов для подачи газа, нефти, жидкого топлива и т. п. по трубопроводам, при производстве разведочных работ, для привода бурильных установок при бурении скважин на газовых и нефтяных промыслах.
Турбореактивные двигатели широко распространены в авиации. Паровые турбины – основной двигатель для привода электрогенераторов на ТЭС. Применяют паровые турбины также для привода центробежных воздуходувок, компрессоров и насосов.
Существуют даже паровые автомобили, но они не получили распространения из–за конструктивной сложности. Тепловое расширение применяется также в различных тепловых реле, принцип действия, которых основан на линейном расширении трубки и стержня, изготовленных из материалов с различным температурным коэффициентом линейного расширения.
Воздействие тепловых двигателей на окружающую среду .
Отрицательное влияние тепловых машин на окружающую среду связано с действием различных факторов.
Во первых, при сжигании топлива используется кислород из атмосферы, вследствие чего содержание кислорода в воздухе постепенно уменьшается.
Во вторых, сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа.
В третьих, при сжигании угля и нефти атмосфера загрязняется азотными и серными соединениями, вредными для здоровья человека. А автомобильные двигатели ежегодно выбрасывают в атмосферу 2–3 тонны свинца.
Выбросы вредных веществ в атмосферу – не единственная сторона воздействия тепловых двигателей на природу. Согласно законам термодинамики производство электрической и механической энергии в принципе не может быть осуществлено без отвода в окружающую среду значительных количеств теплоты. Это не может не приводить к постепенному повышению средней температуры на Земле.
Один из способов уменьшения путей загрязнения окружающей среды связан с использованием в автомобилях вместо карбюраторных бензиновых двигателей дизелей, в топливо которых не добавляют соединения свинца.
Перспективными являются разработки автомобилей, в которых вместо бензиновых двигателей применяются электродвигатели или двигатели, использующие в качестве топлива водород.
Другой способ заключается в увеличении КПД тепловых двигателей. В Институте нефтехимического синтеза им. А. В. Топчиева РАН разработаны новейшие технологии превращения углекислого газа в метанол (метиловый спирт) и диметиловый эфир, увеличивающие в 2–3 раза производительность аппаратов при значительном уменьшении электроэнергии. Здесь был создан реактор нового типа, в котором производительность увеличена в 2–3 раза.
Введение этих технологий снизит накопление углекислого газа в атмосфере и поможет не только создать альтернативное сырьё для синтеза многих органических соединений, основой для которых сегодня служит нефть, но и решить упомянутые выше экологические проблемы.
Не существовало бы двигателей внутреннего сгорания без использования теплового расширения газов. И в этом мы легко убеждаемся, рассмотрев подробно принцип работы ДВС, их рабочие циклы – вся их работа основана на использовании теплового расширении газов. Но ДВС – это только одно из конкретных применений теплового расширения. И судя по тому, какую пользу приносит тепловое расширение людям через двигатель внутреннего сгорания, можно судить о пользе данного явления в других областях человеческой деятельности. И пускай проходит эра двигателя внутреннего сгорания, пусть у них есть много недостатков, пусть появляются новые двигатели, не загрязняющие внутреннюю среду и не использующие функцию теплового расширения, но первые еще долго будут приносить пользу людям.
https://infourok.ru/proekt-istoriya-sozdaniya-dvigatelya-vnutrennego-sgoraniya-6341192.html
