2Янв

Конспект двигатель внутреннего сгорания: Двигатель внутреннего сгорания — урок. Физика, 8 класс.

Конспект: «Двигатель внутреннего сгорания (ДВС)»

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение Куйбышевского муниципального района Новосибирской области «Горбуновская средняя общеобразовательная школа»

 

 

 

Методическая разработка

 

Урок: «Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания»,

8 класс

Предмет: физика

 

 

 

Автор: Лупачев А.Н.

 

Конспект  открытого урока  физики в 8 классе.

Тема урока:    Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания.

Цель урока: Сформировать знания учащихся о работе газа и пара  на примере работы двигателя внутреннего сгорания.

Задачи:

1.Развить познавательный интерес, творческие способности, навыки критического мышления.

2.Расширить знания по теме тепловые двигатели и их влияние на экологическую обстановку.

3.Формировать экологическую культуру учащихся и научное мировоззрение.

4.Воспитывать ответственность , самостоятельность, активность в познавательной деятельности.

5.Показать самостоятельную работу учащихся в парах.

Оборудование: таблицы , модели ДВС, компьютер , проектор , демонстрация работы пара при расширении.

Материалы : презентация к уроку; для учащихся путевые листы с кроссвордом и таблица работы ДВС для контроля знаний.

Ход урока:

1.    Организационный момент.

-Здравствуйте товарищи кадеты.

-Кругом.

— Сегодня у нас гости , поприветствуйте их.

Улыбнитесь кто готов учиться и получать знания. Тогда приступим

к  уроку.

Внимание на экран. Вы видите портрет человека , изобретение которого оказало огромное влияние на развитие цивилизации, позволило небывалыми темпами развиваться промышленности, транспорту, именно оно сделало нашу жизнь такой , какая она есть.

Кто это? Как фамилия этого ученного? (слайд 2, портрет ученого)

Не знаете ? Сейчас узнаете. Для этого вам надо разгадать небольшой кроссворд. Возьмите у вас на столах путевые листы №1.Заодно узнаем как вы усвоили тему «Тепловые явления».Кто первый правильно ответит на вопросы по горизонтали, то по  вертикали и будет фамилия ученого виновника нашего урока.(слайд 3,кроссворд-пустой)

Так кто же это?1-е слово  из 9 букв –излучение(слайд4)

2-е слово из 11 букв –конденсация (слайд 5)

3-е слово тоже из 11 букв -температура(слайд 6)

4-е слово-14 букв -кристаллизация (слайд 7)

Этого человека зовут –Уатт(8слайд)

Английский изобретатель , Джеймс Уатт. Это именно он , в 1774году изобрел паровую машину с цилиндром двойного действия, затем усовершенствовал ее и внедрил в массовое производство. Применение машины Уатта положило начало эре тепловых двигателей.

Сообщение темы урока (слайд9) и цели.(слайд 10)

Тема урока: Работа газа и пара при расширении.

Двигатель внутреннего сгорания

Цель урока:

познакомиться с устройством тепловых машин на примере двигателя внутреннего сгорания.

Задачи:   изучить

-виды тепловых машин;

-устройство ДВС;

-принцип работы ;

-влияние работы ДВС на окружающую среду

-Тепловые двигатели – это машины, в которых  внутренняя  энергия  топлива превращается  в  механическую  энергию.

-Как это происходит?

-Проведем небольшой  эксперимент . (Вызвать помощника экспериментатора)(слайд11)  Пока он выполняет эксперимент я веду беседу с классом.

-Вспомним кластер при изучении темы «Энергия топлива»(на  обороте доски)

-Откуда берется энергия у топлива?

-Любой вид топлива содержит в себе углерод , при сгорании углерод соединяется с кислородом ,выделяется углекислый газ и тепло.

Энергию скрытую в органическом топливе невозможно сразу превратить в работу. Топливо сначала сжигают. Выделившаяся теплота идет на нагревание воды, превращая ее в пар. А пар уже совершает работу. Весь этот процесс мы здесь и наблюдаем.

Q->U->A

Простейший «одноразовый» тепловой двигатель (паровая машина)

При нагревании воды в закрытой пробкой пробирке увеличивается количество пара, находящегося под пробкой, и повышается его давление на пробку. Наконец, давление пара выталкивает пробку, при этом пар совершает работу. Часть первоначальной энергии пара пошло на совершение работы по выталкиванию пробки. Внутренняя энергия пара превратилась в механическую энергию. Так как пар выходит еще достаточно горячий, то оставшуюся энергию он отдает окружающему воздуху, имеющему более низкую температуру.

 

 

Во всех тепловых двигателях внутренняя энергия топлива преобразуется в механическую. Но никогда не может произойти эквивалентного преобразования внутренней энергии в работу: часть внутренней энергии уходит на нагревание деталей машин, на преодоление трения в узлах, на рассеивание в окружающую  среду.

Внутренняя энергия тепловых машин образуется за счет энергии  топлива.

Две с лишним тысячи лет тому назад, в 3 веке до нашей эры, великий греческий математик и механик Архимед построил пушку, которая стреляла с помощью пара. Рисунки пушки Архимеда были найдены позднее в рукописях Леонардо да Винчи.
При стрельбе один конец ствола сильно нагревали на огне . Затем в нагретую часть ствола наливали воду. Вода мгновенно испарялась, и пар, расширяясь с силой и грохотом выбрасывал ядро. Ствол пушки представлял собой, как бы цилиндр, по которому, как поршень, скользило ядро(СЛАЙД 13)

Посмотрим прообраз первой тепловой машины(м/медиа)Герона Александрийского.жившего в 320 г до нашей эры.

Виды тепловых двигателей

n  Паровая машина

n  Газовая  и паровая турбина

n  Двигатель внутреннего сгорания

n  Реактивный двигатель

ПАРОВАЯ МАШИНА

 тепловой поршневой двигатель для

преобразования энергии водяного пара в механическую работу.

Пар, поступая в цилиндр паровой машины, перемещает поршень.

 До конца 19 в. она была единственным универсальным двигателем,

сыграла исключительную роль в

прогрессе промышленности и транспорта(слайд 16)

 ПАРОВАЯ ТУРБИНА

преобразует тепловую энергию водяного пара в

механическую работу. Поток водяного пара поступает

через направляющие аппараты на лопатки,

закрепленные по окружности ротора, и, воздействуя на

 них, приводит ротор во вращение.

В отличие от поршневой паровой машины, паровая

 турбина использует не потенциальную, а

кинетическую энергию пара, электрические генераторы всех тепловых и атомных электростанций приводятся в действие паровыми турбинами.

Паротурбинные двигатели нашли широкое применение на водном транспорте и в авиации.  (СЛ 18-19)

Газовая  турбина ПРИВОДИТ В ДЕЙСТВИИ САМОЛЕТЫ.(21)

Ракетные двигатели

n  Реактивные двигатели, не использующие для своей работы окружающую среду, называют ракетными двигателями.

n  В 1987 г. прошла успешные испытания универсальная ракета-носитель «Энергия», способная выводить на орбиту более 100 т полезного груза.(СЛАЙД 22)

Турбореактивный двигатель.

n  Газовая турбина может быть использована как реактивный двигатель.

n  Её реактивная сила тяги может быть использована для движения самолёта, теплохода или железнодорожного состава.

n  Турбореактивными двигателями оборудованы: Ил-62, Ту-154, Ил-86. (СЛ 23)

Карбюраторный двигатель.

n  В 1880-х гг. О. С. Костович в России построил первый бензиновый карбюраторный двигатель.

n   В таком двигателе смешивание топлива с воздухом происходит вне цилиндра,  в специальном узле обогащения топлива воздухом (карбюраторе)(СЛ  24)

Наш современный мир нельзя представить без техники . (слайды25-33)Мы пользуемся как общественным так и личным транспортом. Используем технику в сельском хозяйстве, в промышленности. Что заставляет их  двигаться ? Жизненно важным органом живых существ является сердце.

А что является сердцем машины?(cлайд34)

— Мотор. Как он работает , как устроен? Об этом вы сейчас прочтете и  будете рассказывать. Открыли учебники , прочтите  параграф 20-21, поработаете с дополнительной литературой . Класс делим на пары  и в группы по 2 пары:

1-механики изучают строение ДВС и немного расскажут об этом двигателе

2-конструкторы познакомят нас с работой двигателя.

3- экологи  исследуют  плюсы и минусы ДВС

4-хранители  истории расскажут об истории создания ДВС

5 – творческая группа составляют синквейн и кластер по теме «ДВС»

 Время пошло ,работаем.(Учитель консультирует учащихся)

 По истечении времени-5 минут начинается опрос  групп.

КЛАСС ВНИМАТЕЛЬНО СЛУШАйте  ,А ПОТОМ БУДЕТЕ ЗАПОЛНЯТЬ ТАБЛИЦУ « ВСЕ + И – двс».

1.Механики.Рассказывают общие сведения о двигателе ВС, устройстве и назначении каждого узла.

Двигатель внутреннего сгорания — это устройство, в котором химическая энергия топлива превращается в полезную механическую работу.

ДВС делятся :

а)По назначению — на транспортные,

стационарные и специальные.

б)По роду применяемого топлива — легкие жидкие (бензин, газ), тяжелые жидкие (дизельное топливо).

в) По способу образования горючей смеси — внешнее (карбюраторые) и внутреннее  (дизельные) ДВС.

г) По способу воспламенения (искра или сжатие).

д) По числу и расположению цилиндров разделяют рядные, вертикальные, оппозитные, V-образные, VR-образные .

Двигатель внутреннего сгорания – очень распространенный вид теплового двигателя. Топливо в нем сгорает прямо в цилиндре, внутри самого двигателя. Отсюда и происходит название этого двигателя.

В цилиндре такого двигателя периодически происходит сгорание горючей смеси, состоящей из паров бензина и воздуха. Температура газообразных продуктов сгорания достигает 1600 – 1800

0С.

Давление на поршень при этом резко возрастает. Расширяясь, газы толкают поршень, а вместе с ним и коленчатый вал, совершая при этом механическую работу.

Крайние положения поршня в цилиндре называют мертвыми точками. Расстояние, проходимое поршнем от одной мертвой точки до другой, называют ходом поршня.

Один рабочий цикл в двигателе происходит за четыре хода поршня, или, как говорят, за четыре такта (впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск). Поэтому такие двигатели называют четырехтактными.

          Устройство двигателя внутреннего   сгорания

1,2 – клапана впускной и выпускной   

 3 – поршень

4 – шатун                                                             

5 – коленчатый вал

6 – маховик   7 – свеча, стартер , система охлаждения.                   

 

2.    КОНСТРУКТОРЫ РАССКАЖУТ О РАБОТЕ ДВС.

Работа двигателя внутреннего сгорания.
1 такт. Впуск.

При повороте вала двигателя в начале первого такта поршень движется вниз. Объем над поршнем увеличивается. Вследствие этого в цилиндре создается разрежение. В это время открывается клапан 1 и в цилиндр входит горючая смесь. К концу первого такта цилиндр заполняется горючей смесью, а клапан 1 закрывается.

 2 такт. Сжатие.

При дальнейшем повороте вала поршень движется вверх (второй такт) и сжимает горючую смесь. В конце второго такта, когда поршень дойдет до крайнего верхнего положения, сжатая горючая смесь воспламеняется (от электрической искры) и быстро сгорает.

3 такт. Рабочий ход.

Образующиеся при сгорании газы давят на поршень и толкают его вниз. Под действием расширяющихся нагретых газов (третий такт) двигатель совершает работу, поэтому этот такт называют рабочим ходом. Движение поршня передается шатуну, а через него коленчатому валу с маховиком. Получив сильный толчок, маховик затем продолжает вращаться по инерции и перемещает скрепленный с ним поршень при последующих тактах. Второй и третий такты происходят при закрытых клапанах.

. 4 такт. Выпуск.

В конце третьего такта открывается клапан 2, и через него продукты сгорания выходят из цилиндра в атмосферу. Выпуск продуктов сгорания продолжается и в течение четвертого такта, когда поршень движется вверх. В конце четвертого такта клапан 2 закрывается.

3 ГРУППА .ЭКОЛОГИ.

Как уменьшить загрязнение окружающей среды?

Т.к. автомобильные двигатели играют решающую роль в загрязнении атмосферы в городах, то проблема их усовершенствования представляет одну из наиболее актуальных научно-технических задач.

Один из путей уменьшения загрязнения окружающей среды – использование в автомобилях вместо карбюраторных бензиновых двигателей дизели в топливо которых не добавляют соединения свинца.

Перспективными являются разработки и испытания автомобилей, в которых вместо бензиновых двигателей применяют электродвигатели, питающиеся от аккумуляторов и солнечный батарей или двигатели, использующие в качестве топлива водород.(СЛ 47-52)

Работа учащихся.Заполнение таблицы №2

«Хорошо» и «плохо» тепловых двигателей. + и – ДВС.

Автономность- ездить длительное время без пополнения горючего.

При сжигании топлива используется кислород из атмосферы,

вследствие чего содержание кислорода в воздухе постепенно

уменьшается

   Быстрый пуск в любых      условиях.

Сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу

 углекислого газа. Молекулы оксида углерода поглощают

инфракрасное излучение, что приводит к изменению

прозрачности атмосферы. Что может привести к «парниковому

эффекту».

  Цивилизация общества . Преобразование ручного труда . Улучшение быта людей.

Кроме оксида углерода и соединений азота, автомобильные

двигатели ежегодно выбрасывают в атмосферу 2-3 млн. т

свинца. (Соединения свинца добавляют в автомобильный

бензин для предотвращения детонации топлива в двигателе,

 приводящей к снижению мощности двигателя и его быстрому

 износу. )

  Разведка и покорение   космоса .  Освоение  и исследование  морских глубин.

300 токсических веществ загрязняют атмосферу, шум,

ограниченная мощность.

Большая смертность в автомобильных авариях.

 

4.СЛОВО БЕРУТ ХРАНИТЕЛИ ИСТОРИИ.

Кто же изобрел это чудо техники?

Первый по настоящему работоспособный Двигатель Внутреннего Сгорания (ДВС) появился в Германии в 1878 году. Но история создания ДВС уходит своими корнями во Францию.

В 1860 году французский изобретатель Этвен Ленуар изобрёл

первый двигатель внутреннего сгорания. Но этот агрегат был несовершенен, с низким КПД и не мог быть применён на практике. На помощь пришёл другой французкий изобретатель Бо де Роша, который в 1862 году предложил использовать в этом двигателе четырехтактный цикл:

1.всасывание 2. сжатие 3. горение и расширение 4. выхлоп

Именно эта схема и была использована немецким  изобретателем Николаусом Отто, построившим в 1878 г. первый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, КПД которого достигал 22%.

Первым автомобилем с четырёхтактным ДВС был трёхколёсный экипаж Карла Бенца, построенный в 1885 году.

Годом позже (1886 г) появился вариант Готлиба Даймера.

Оба изобретателя работали независимо друг от друга.

В 1926 году они объединились, создав фирму Deimler-Benz AG.

История автомобилей.(СЛАЙДЫ58-63)

5.СЛОВО ТВОРЧЕСКОЙ ГРУППЕ. ОНИ ПИШУТ СИНКВЕЙН И КЛАСТЕР.

4.ЗАКРЕПЛЕНИЕ МАТЕРИАЛА,

ЗАПОЛНЕНИЕ ТАБЛИЦЫ №3

Работа двигателя(СЛАЙД66-67)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

     Названия

       впуск

    сжатие

Рабочий  ход

    выпуск                                  

   Температура и давление

      —

t=1600º — 2200ºС

Р= 3-6  МПа

 —

   Впускной клапан

открыт

закрыт

закрыт

закрыт

   Выпускной клапан

закрыт

закрыт

закрыт

открыт

    Поршень

движется  вниз

движется вверх

движется вниз

Движется

 вверх

     Свеча

дает искру

 

6. ПОДВЕДЕНИЕ ИТОГОВ. Выставление оценок.

7.Домашнее задание: § 21-22

Источники:

1.«Физика» 8 класс, авторы

А.В. Перышкин, Е.М. Гутник. Издательство «Дрофа» 2012 г.

2.Составить синквейн  ,кластер, кроссворд.

3.Закончить работу над таблицей №3

ПЛАН-КОНСПЕКТ УРОКА для 8 класса «Двигатель внутреннего сгорания»

ПЛАН-КОНСПЕКТ УРОКА
Двигатель внутреннего сгорания

  1. Цель урока: изучить устройство, принцип действия и значение тепловых двигателей на примере двигателя внутреннего сгорания.

9. Задачи:

— обучающие формирование знаний учащихся о работе пара и газа на примере изучения двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и умения самостоятельно приобретать знания.

-развивающие развивать наглядно-образное, логическое мышление учащихся, умение находить ответы на предложенные вопросы, сравнивать и сопоставлять изучаемые процессы (такты в работе двигателя).

-воспитательные воспитывать информационную культуру, интерес к вопросам охраны окружающей среды;

  1. Тип урока комбинированный с использованием ЭОР.

Формы работы учащихся фронтальная, индивидуальная.

Необходимое техническое оборудование компьютерный класс, проектор; (избранные ЭУМ вместе с программой-реализатором установлены на компьютерах).

Таблица 1.

СТРУКТУРА И ХОД УРОКА

Ход урока.

1.Организационный момент.

Методическое обоснование: подготовка учащихся к активному восприятию материала, мотивация.

Используется слайд презентации:

Догадайтесь, о чём идёт речь:

  • Они бывают ветряными, электрическими, тепловыми.

  • Это машины, которые преобразуют какой-либо вид энергии в механическую работу.

  • Например, они приводят в движение автомобиль.

Сегодня мы будем изучать тепловые двигатели на примере двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Мы будем рассматривать его устройство, принцип действия и влияние на окружающую среду.

Прежде, чем приступить к изучению нового материала, вспомним, что мы изучали ранее.

2.Актуализация знаний.

Методическое обоснование: в ходе небольшого фронтального опроса проверяется уровень знаний учащихся, проводится подготовка к изучению нового материала.

Цель – подвести учащихся к мысли о возможности превращения внутренней энергии топлива в механическую энергию.

1.Что называют внутренней энергией?

2.Как можно изменить внутреннюю энергию?

3.Что вы понимаете под топливом?

3.Можно ли внутреннюю энергию превратить в механическую?

3.Изучение нового материала.

Методическое обоснование:  частично реализуются обучающие задачи урока. Объяснение нового материала — мини-лекция, в ходе которой, как средство наглядности, используются ЭОР.

Запасы внутренней энергии, содержащиеся в топливе, огромны. Очень важно умело и грамотно использовать их.

Использовать внутреннюю энергию – значит, совершить за счёт неё полезную работу. Вводится понятие теплового двигателя. Учащиеся знакомятся с принципом действия простейшего теплового двигателя на примере нагревания воды в пробирке, закрытой пробкой. Далее рассматриваются основные части любого теплового двигателя: рабочее тело, нагреватель, холодильник. Формулируется определение тепловых двигателей: машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую работу.

Приводятся примеры тепловых двигателей с использованием слайд-шоу из подборки ЭОР к уроку.

Рассказ об устройстве ДВС и его работе базируется на использовании слайд-шоу из подборки ЭОР к уроку.

4.Первичная проверка понимания учащимися нового учебного материала.

Методическое обоснование:  в ходе небольшого фронтального опроса идёт активизация мыслительной деятельности учащихся.

1.Назовите элементы ДВС? (цилиндр, поршень, коленчатый вал, шатун, маховик, впускной и выпускной клапаны, свеча).

2.Перечислите такты работы ДВС (впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск).

3.На каком топливе работают ДВС? (на жидком топливе (бензин, керосин) или на горючем газе).

4. Какие экологические проблемы возникают при использовании тепловых двигателей?

Здесь проверяется выполнение задания по работе с соответствующим ЭУМ, которое учащиеся должны были выполнить самостоятельно при подготовке к уроку.

Образец задания представлен ниже. Хочется заметить, что задание составлено так, чтобы не перегружать учащихся и свести к минимуму время его выполнения. Не у всех ребят есть возможность выхода в Интернет дома, можно предложить им объединиться в группы и выполнить задание после уроков в компьютерном классе.

Задание для домашней работы с ЭУМ

«Экологические проблемы использования тепловых машин».

Откройте модуль по ссылке http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/669ba062-e921-11dc-95ff-0800200c9a66/2_13.swf

Желаю успеха!

Заполните пропуски в тексте.

При сжигании топлива в тепловых машинах постепенно уменьшается количество …………………… в атмосфере. За счёт сжигания различных видов топлива в атмосферу поступает около 20 млрд тонн ……………………………….

В результате сжигания нефти и угля атмосфера наполняется вредными ………………….. и …………………………. соединениями.

Более половины всех загрязнений даёт …………………

Перспективными видами двигателей для автомобилей являются …………………………. и двигатели на …………………………….

Все тепловые потери в тепловых двигателях приводят к повышению …………………………. различных тел и атмосферы.

Результатом этого является возможное изменение …………………..

5.Физкульминутка.

1.Закройте глаза и зажмурьтесь быстро 10 раз, не размыкая век.

2. Поморгайте интенсивно 10 раз, стараясь открывать и закрывать глаза как можно быстрее.

3. С открытыми глазами поднимите брови, как при сильном удивлении. Нахмурьте брови. Повторите это упражнение 10 раз.

6.Закрепление знаний.

Методическое обоснование: на данном этапе осуществляется самостоятельная работа учащихся с ЭУМ. Ребята выполняют задание (см. рабочий лист) индивидуально, работая за компьютером. Нужно учесть, что учащиеся могут закончить выполнение задания неодновременно. Самым быстрым можно предложить работу с ЭУМ «Путешествие в страну тепловых машин».

Рабочий лист к уроку «Двигатель внутреннего сгорания».

Откройте ЭУМ по этой ссылке http://files. school-collection.edu.ru/dlrstore/669b7981-e921-11dc-95ff-0800200c9a66/2_9.swf

В процессе работы вы сможете усвоить устройство и принцип действия ДВС. Для этого изучите содержание модуля, ответьте на вопросы и выполните ниже приведённые задания.

Желаю успеха!

1.Почему двигатель называют двигателем «внутреннего» сгорания?

……………………………………………………………………………………………………

2.На каких видах топлива работают ДВС?

……………………………………………………………………………………………………

3. Кто и когда изобрёл первый ДВС?

…………………………………………………

4. Продолжите фразу.

-Крайние положения поршня………………………………

-Расстояние, проходимое поршнем от одной точки до другой……………………….

-Один ход поршня……………………………

5. Рассмотрите с помощью модели как работает ДВС. Заполните таблицу.

Название

такта

Дополнительно: совершите путешествие в мир тепловых машин.

http://fcior.edu.ru/card/413/puteshestvie-v-stranu-teplovyh-mashin.html

7.Контроль знаний.

Методические обоснования: на данном этапе учащиеся выполняют мини-тест (раздаточный материал). С целью дифференцированного подхода, в тесте предусмотрено выполнение двух заданий со свободным ответом.

Тест к уроку «Двигатель внутреннего сгорания». 8 класс.

1. В качестве топлива в ДВС используется:

А.жидкое и твёрдое.

Б.твёрдое и газообразное.

В.жидкое и газообразное.

2. Такт работы — это

А.2 хода поршня.

Б.4 хода поршня.

В.1 ход поршня.

3. Какое устройство не является тепловым двигателем

А.паровая турбина.

Б.реактивный двигатель.

В.Электродвигатель.

4. Горючая смесь воспламеняется в конце такта

А.впуск.

Б.сжатие

В.выпуск.

Г.рабочий ход.

5.Установите соответствие между названием такта и его номером на рисунке.


А.впуск.

Б.сжатие

В.выпуск.

Г.рабочий ход.

6.Установите соответствие между частью ДВС и её номером на рисунке.

А.цилиндр.

Б.поршень.

В.шатун.

Г. впускной клапан.

Д.выпускной клапан.

Е.свеча зажигания.

Задания со свободным ответом:

7. Можно ли ружьё считать тепловым двигателем?

( Да, можно. Так как при выстреле часть тепловой энергии превращается в кинетическую энергию пули).

8. Можно ли двигатель внутреннего сгорания использовать на подводной лодке?

(Нет, нельзя, так как недостаточно воздуха).

8.Подведение итогов урока.

Методическое обоснование: необходимость выделения главного, формирование способности учащихся выражать своё отношение к изучаемому материалу.

Важно сделать выводы о возможности использования внутренней энергии топлива и превращении её в работу в двигателе внутреннего сгорания.

9.Домашнее задание

Методическое обоснование: подготовка учащихся на выполнение домашнего задания, развитие интереса к изучению физики.

Дома учащимся предлагается поработать с материалами параграфов 21 и 22 учебника.

Индивидуальные задания: двум учащимся предлагается выполнить задание с ЭУМ и представить результаты выполнения в электронном виде.

Образец задания.

Изучите содержание модуля «История изобретения паровых машин» http://fcior.edu.ru/card/7737/istoriya-izobreteniya-parovyh-mashin. html

и заполните таблицу.

Дата

Найдите дополнительную информацию об И.И.Ползунове, используя ресурсы Интернета.

Приложение к плану-конспекту урока

Двигатель внутреннего сгорания

Таблица 2.

ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ НА ДАННОМ УРОКЕ ЭОР

Дополнительные источники информации.

  • Работа газа и пара при расширении. http://class-fizika.narod.ru/8_17.htm

  • История создания тепловых двигателей http://gbogatih.narod.ru/phdvig2.htm

  • Двигатель внутреннего сгорания http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B2%D1%81

ФИО (полностью)

Горбылева Татьяна Михайловна

Место работы

Муниципальное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа п. Кубово

Должность

учитель

Предмет

физика

Класс

8

Тема и номер урока в теме

Тепловые явления. №21

Базовый учебник

Физика – 8 класс. А.В. Перышкин. М.Дрофа.

Этап урока

Название используемых ЭОР

(с указанием порядкового номера из Таблицы 2)

Деятельность учителя

(с указанием действий с ЭОР, например, демонстрация)

Деятельность ученика

Время

(в мин.)

1

2

3

5

6

7

1.

Организацонный момент.

Формулирует тему, цели урока.

Воспринимают информацию. Готовятся к восприятию материала.

2

2.

Актуализация знаний.

Формулирует вопросы. Проверяет знание опорных понятий.

Отвечают на вопросы.

3

3.

Изучение нового учебного материала.

Понятие о тепловых машинах. №1.

Работа четырехтактного ДВС. №2.

«Виды тепловых двигателей» №3.

Объяснение нового материала с использованием материала ЭУМ.

Воспринимают информацию.

10

4.

Первичная проверка понимания учащимися нового учебного материала.

Экологические проблемы использования тепловых машин

№5,6.

Задаёт вопросы. Проверяет выполнение домашней работы с ЭУМ(5,6).

Отвечают на вопросы.

Используют результаты домашней работы с ЭУМ(5,6).

5

5.

Закрепление учебного материала.

Двигатель внутреннего сгорания. №4

Путешествие в страну тепловых машин. №8.

Формулирует задания для работы с ЭУМ.

Знакомятся с заданиями и задают вопросы по их условиям.

12

6.

Контроль знаний.

Двигатель внутреннего сгорания. №4

Контролирует работу.

Выполняют тест.

5

7.

Подведение итогов работы.

Формулирует выводы.

Фиксируют выводы.

5

8.

Домашнее задание.

История изобретения паровых машин. №7.

Даёт указания для самостоятельной работы с ЭОР.

Воспринимают информацию. Фиксируют в дневниках.

3

Клапаны

Поршень

Горючая смесь.

Полезная работа.

впускной

выпускной

Изобретатель

Что изобрёл

Название ресурса

Тип, вид ресурса

Форма предъявления информации (иллюстрация, презентация, видеофрагменты, тест, модель и т.д.)

Гиперссылка на ресурс, обеспечивающий доступ к ЭОР

1

Понятие о тепловых машинах

Информационный модуль посвящен теме «Принципы работы тепловых двигателей» для основной школы.

Помимо иллюстрированных гипертекстовых материалов в него входят интерактивные анимации «Простейший тепловой двигатель» и «Тепловые двигатели». Модуль относится ко II уровню интерактивности

http://fcior.edu.ru/card/14314/ponyatie-o-teplovyh-mashinah.html

2.

«Работа четырехтактного ДВС» (N 186442)

Слайд-шоу.

Иллюстрации с текстовыми комментариями о тактах работы двигателя внутреннего сгорания.

http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/55e71453-a70e-48f8-bd4c-3ccb3360a581/8_107.swf

3.

«Виды тепловых двигателей»

(N 186626)

Слайд-шоу.

Иллюстрации с текстовыми комментариями о различных видах тепловых двигателей (ДВС, паровая и газовая турбина, реактивный двигатель).

http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/b925d43a-fae6-4b74-8e98-ee25ca0af800/117.swf

4

Двигатель внутреннего сгорания (N 206028)

Интерактивное задание, Мультимедиа

Иллюстрации, интерактивные анимации, модели.

http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/669b7981-e921-11dc-95ff-0800200c9a66/2_9.swf

5

Экологические проблемы использования тепловых машин.

Интерактивное задание, Мультимедиа

Иллюстрации, анимации.

http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/669ba062-e921-11dc-95ff-0800200c9a66/2_13.swf

6.

Экологические проблемы использования тепловых машин

Информационный модуль посвящен теме «Экологические проблемы использования тепловых машин» для основной школы. Модуль относится к I уровню интерактивности.

Лекция (конспект)

http://fcior.edu.ru/card/3490/ekologicheskie-problemy-ispolzovaniya-teplovyh-mashin.html

7.

История изобретения паровых машин.

Информационный модуль посвящен теме «Работа газа и пара при расширении» для основной школы.

Лекция (конспект).

Помимо иллюстрированных гипертекстовых материалов в него входят интерактивные анимации «Пароатмосферная машина Т. Ньюкомена» и «Паровая машина для передвижения Дж. Уатта». Модуль относится ко II уровню интерактивности

http://fcior.edu.ru/card/7737/istoriya-izobreteniya-parovyh-mashin.html

8.

Путешествие в страну тепловых машин.

Практический модуль.

Лекция, конспект.

http://fcior.edu.ru/card/413/puteshestvie-v-stranu-teplovyh-mashin.html

Двигатель внутреннего сгорания | Научный.Нет

Заголовок статьиСтраница

Влияние характеристик присадок к маслам на износ двигателей, работающих на биотопливе, с использованием электронной микроскопии и конфокальной микроскопии

Аннотация: Частицы сажи образуются в процессе сгорания в дизельном двигателе. Эти частицы позже выбрасываются в термосферу и часть их загрязняет моторное масло. При загрязнении смазочного материала сажей происходит истирание дизельного двигателя или, в худшем случае, смазочное голодание. Эта ситуация в конечном итоге приведет к поломке двигателя. Большое количество сажи также повышает уровень кислотности в этом районе. Если это состояние сочетается с высокой температурой двигателя и летучими газами во время работы, также может возникнуть коррозия двигателя. В этом исследовании изучается влияние объема присадки на дисперсию сажи в моторном масле и влияние добавки на размер и объем сажи, которые влияют на механизм изделия в металле, с помощью трибологического четырехшарикового тестера, анализа изображений с помощью сканирующего электронного микроскопа и размера частиц. анализ методом лазерной дифракции.

113

Экспериментальное исследование четырехтактного двигателя с искровым зажиганием, работающего на сжиженном нефтяном или газовом бензине

Резюме: В этом исследовании были проведены экспериментальные работы с использованием сжиженного нефтяного газа (СНГ) в качестве смешанного топлива с нафтой или бензином в двигателе с искровым зажиганием с целью снижения выбросов загрязняющих веществ и улучшения характеристик двигателя. Смешанное топливо производится на основе замещения энергии, что означает, что количество добавленного СНГ имеет количество энергии, эквивалентное энергии удаленной нафты или бензина. Результаты показали, что смесь сжиженного нефтяного газа повышает эффективность двигателя примерно до 20% и снижает выбросы CO, CO 9.0013 2 и NOx, но вызывает увеличение выбросов несгоревших углеводородов. Испытания проводились при постоянной степени сжатия (6:1), при различной нагрузке с различным процентным соотношением энергии СУГ (10-25) %.

272

Динамический анализ давления в топливных системах высокого давления

Аннотация: В данной статье представлено динамическое исследование топливопровода двухтактного двигателя с воспламенением от сжатия с двумя цилиндрами. Подающая линия типа Common Rail работает под давлением 1600 бар. Для обеспечения равномерности дозировки топлива, подаваемого в цилиндр, и надлежащего управления реализацией топливной смеси были проведены исследования динамических явлений, возникающих при открытии и закрытии форсунок. Математическая модель была откалибрована на основе экспериментов, проведенных на двигателе.

335

Способ осуществления процесса наддува в двигателях, исследованных на стенде

Аннотация: В этой статье мы представляем усовершенствованное решение для оптимизации процесса наддува в двигателях, которые экспериментально исследуются на испытательном стенде. Это решение может быть применено только к двигателям, установленным на испытательном стенде, чьи энергетические, экономические или экологические показатели требуют повышения за счет оптимизации процесса наддува. Следует использовать новейшее автоматическое оборудование для осуществления процесса наддува с целью изучения и улучшения поведения экспериментально исследуемых двигателей в зависимости от интенсивности процесса наддува. Таким образом, будут известны параметры, которые должен выполнять агрегат наддува, которым будет оснащен двигатель внутреннего сгорания, в процессе его эксплуатации.

175

Конструкция измерительного устройства для анализа крутящего момента двигателя внутреннего сгорания.

Аннотация: Данная статья может быть разделена на две части, первая из которых посвящена существенному анализу проблемы измерения крутящего момента, а вторая посвящена проектированию и созданию собственного измерительного устройства. Цель этой статьи — указать каждый вариант измерения и выбрать лучший из них для желаемых требований. Разработанное измерительное устройство будет использоваться для анализа крутящего момента в диссертации.

947

Математическая модель двигателя с турбонаддувом

Аннотация: В этой статье я сосредоточусь на математическом описании двигателя с турбонаддувом. После выражения математического описания я перенес его в компьютерную среду математической программы. Далее я доработал результаты и сравнил их с результатами имитационного моделирования двигателя с турбонаддувом, о котором также упоминается во второй части статьи.

842

ДВС в составе мобильных установок: повышение эффективности

Аннотация: В статье рассмотрена проблема увеличения основных показателей двигателей внутреннего сгорания, используемых в составе широкого спектра подвижных объектов, в том числе автотранспортных надводных, подводных и летательных аппаратов. Предложен подход к решению проблемы разработки оптимальной формы впускной системы двигателя, обеспечивающей увеличение наполнения цилиндров топливно-воздушной смесью и равномерное распределение воздуха по цилиндрам. Кроме того, ставится требование симметричности во времени, что означает необходимость подсоса воздуха от дроссельной заслонки к впускному клапану каждого цилиндра за одинаковое количество времени. Приведены результаты расчетных испытаний разработанной формы впускного коллектора, подтверждающие соответствие разработанной модели заданным требованиям. Образец модели, предназначенный для установки на малолитражный атмосферный 4-цилиндровый двигатель внутреннего сгорания, изготовлен на основе 3d-модели. Доказана необходимость модификации программного обеспечения системы управления двигателем для достижения максимальной отдачи при испытаниях модельного образца. Описаны соответствующие изменения, приведены сравнительные таблицы регулировочных параметров. Собран экспериментальный стенд для проведения натурных испытаний, на котором получена внешняя скоростная характеристика двигателя при использовании штатного впускного коллектора и впускного коллектора разработанной формы. Приведены результаты испытаний, наглядно демонстрирующие увеличение мощности и крутящего момента двигателя.

836

Способ оптимизации общего функционирования нагнетателя волны давления с двигателем внутреннего сгорания

Аннотация: Функционально-конструктивные варианты компрессоров Hyprex и Comprex с волной напора, построенные до настоящего времени, сокращаются. Исходя из этого, в статье предлагается выделить оптимизацию совместной работы существующих моделей волновых нагнетателей с двигателями внутреннего сгорания. Это возможно за счет эффективности процесса наддува, реализуемого такими нагнетателями, которая зависит от степени соотношения между частотой вращения нагнетателя и давлением выхлопных газов, поступающих в каналы компрессора, по причине, единственного Модель нагнетателя может быть способна эффективно наддувать двигатели с различными характеристиками, если определены оптимальные значения скорости движения волнового нагнетателя (согласно предложенному в работе методу) и адаптированы (по уровню энергетических и/или экологических характеристики, которых должен достичь двигатель) для каждого типа двигателя в отдельности.

350

Влияние и оптимизация характеристик двигателя внутреннего сгорания с керамическим покрытием

Аннотация: Керамическое покрытие двигателя внутреннего сгорания стало одним из замечательных средств, повышающих производительность и экономичность двигателя. В этой статье представлен новый подход к оптимизации и изучению влияния производительности двигателя внутреннего сгорания с керамическим покрытием. В этой статье различные параметры, такие как нагрузка на двигатель и частота вращения двигателя, оптимизируются с учетом различных характеристик, таких как выходная мощность двигателя, объемный КПД, скорость теплопередачи охлаждающей жидкости и выбросы окиси углерода (CO). Проведены эксперименты по изменению параметров нагрузки и частоты вращения двигателя внутреннего сгорания с керамическим покрытием. Для проведения экспериментов берется ортогональный массив с нагрузкой 40 Нм, 120 Нм, 200 Нм и скоростью 1200, 2000 и 2800 об/мин. Этот метод показывает хорошую сходимость с экспериментальными и оптимальными параметрами процесса, где максимальная объемная эффективность, минимальная скорость теплопередачи и минимальная эмиссия CO достигаются с использованием метода реляционного анализа Грея.

546

Проектирование и анализ впускного коллектора двигателя внутреннего сгорания

Аннотация: В статье исследуется правильно спроектированный впускной или впускной коллектор (IM), который жизненно важен для оптимальной работы двигателя внутреннего сгорания (IC). Основная функция впускного коллектора заключается в равномерном распределении горючей смеси (или просто воздуха в двигателе с непосредственным впрыском) на каждую производительность впуска двигателя. Равномерное распределение важно для оптимизации эффективности и производительности двигателя. Известно, что неравномерное распределение воздуха приводит к снижению объемного КПД, увеличению расхода топлива, а также потере мощности. Основная цель настоящей работы состояла в том, чтобы провести расчетное исследование распределения потока во впускном коллекторе в установившихся условиях турбулентности. В текущем проекте впускной коллектор для 3-цилиндрового двигателя был смоделирован и проанализирован численно для оценки потока жидкости. В этом процессе геометрическая модель была создана с приблизительными размерами (с использованием кривых и точек) в ANSA, инструменте предварительной обработки, и анализ был проведен с использованием STAR CCM+, который является решателем и портом инструмента постобработки в головке блока цилиндров ( с).

1021

Последние тенденции в новых двигателях внутреннего сгорания — 27 сентября 2022 г. — Д-р Радж Шах, Гэвин Томас и Викрам Миттал — Статьи новостей нефтедобывающей промышленности

Аннотация: Последние сто пятьдесят лет двигатели внутреннего сгорания использовались в качестве основного источника энергии. источник для многих транспортных средств, в первую очередь автомобилей. Эти двигатели характеризуются циклом воспламенения сжатой воздушно-топливной смеси, в результате чего происходит сгорание, производящее механическую энергию. Несмотря на их известность в обществе, истощающиеся запасы нефти в сочетании с проблемами глобального потепления, связанными с выбросами углерода, ограничат их использование в ближайшем будущем. Наряду с правительственными постановлениями об ископаемом топливе и новыми технологиями, открывающими путь для более конкурентоспособных моделей автомобилей, эти недостатки способствуют переходу от традиционных транспортных средств с двигателем внутреннего сгорания к альтернативным силовым агрегатам. Хотя автомобильное сообщество движется к электрификации, цепочка поставок, электросеть и зарядная инфраструктура не смогут поддерживать радикальные изменения в обозримом будущем. Таким образом, двигатели внутреннего сгорания будут оставаться актуальными, а новые технологии обеспечивают значительный прогресс в топливной экономичности и уменьшении выбросов. В этой статье исследуются и исследуются перспективы использования гибридизации, воспламенения от сжатия однородного заряда и водородного топлива в их усилиях по обеспечению будущего двигателя внутреннего сгорания.

 

1. Введение

Являясь двигателем многих современных транспортных средств, двигатель внутреннего сгорания (ВС) оказался бесценным ресурсом, позволяющим пассажирам добраться туда, куда они хотят. За последние сто пятьдесят лет двигатель внутреннего сгорания эволюционировал по сравнению с его первоначальными конструкциями, что привело к повышению эффективности и производительности. Эти усовершенствования часто могут изменять конструкцию или отдельные узлы двигателя, но основное назначение машины — преобразование химической энергии в механическую — остается неизменным.
Большая часть мира движется к электрификации своего автомобильного сектора. Точно так же электромобили (EV) представляют собой эволюцию транспортных средств с ДВС, поскольку двигатель ДВС полностью заменен тяговым электродвигателем и аккумулятором, который можно заряжать через зарядный порт [1]. С этими компонентами эти электромобили потенциально могут использовать электричество в качестве источника чистого топлива без вредных выбросов парниковых газов (ПГ), как у их предшественников, учитывая, что электроэнергия в сети производится из возобновляемых источников. Это преимущество побудило многие правительства ввести правила, которые способствуют переходу на электромобили, запрещая продажу автомобилей с ДВС в будущем. Наиболее заметным из этих усилий является решение штата Калифорния постепенно отказаться от этих автомобилей к 2035 году в надежде, что на рынке будут только электромобили; решение которого с тех пор поддержали различные автопроизводители, также стремящиеся к той же цели [2].
Однако, несмотря на повторяющиеся настроения, вероятность того, что в ближайшем будущем будут полностью электромобили, кажется довольно низкой. Согласно отраслевым оценкам, как видно из рисунка 1, только 18% новых автомобилей, проданных в 2030 году, будут полностью электрическими, а остальные автомобили будут состоять из двигателей внутреннего сгорания и гибридных двигателей [3]. Потребительский выбор, по-видимому, является основной движущей силой этой статистики, несмотря на государственное регулирование, из-за высоких затрат на покупку, связанных с высокой стоимостью этих батарей [4]. Среди других факторов, перечисленных в таблице 1, большинство коммерчески жизнеспособных электромобилей имеют значительные ограничения по дальности полета по сравнению с их аналогами с двигателями внутреннего сгорания. Кроме того, ограниченная доступность зарядных станций в некоторых районах поставила бы водителей в опасную ситуацию, если бы у них закончилось электричество в дороге и они не могли бы подзарядиться, что еще больше снизило бы доверие потребителей [5].
В настоящее время недостатки электромобилей намного перевешивают преимущества, заставляя потребителей выбирать более дешевые и удобные автомобили с ДВС. Однако по мере того, как стоимость батареи продолжает снижаться, электромобили постепенно становятся более конкурентоспособными по стоимости и производительности с автомобилями с ДВС. Чтобы двигатели внутреннего сгорания могли конкурировать, они должны развиваться и внедрять новые технологии, включая гибридизацию, воспламенение от сжатия гомогенного заряда и/или водородное топливо.

 

2.1. Гибридизация

Чтобы улучшить какое-либо оборудование, нужно сначала изучить базовый продукт и посмотреть, как его можно улучшить. Двигатель внутреннего сгорания — это машина, в которой используется четырехступенчатый цикл впуска, сжатия, мощности и выпуска для выработки энергии для большинства транспортных средств. Поршни двигателя способны сжимать всасываемую топливно-воздушную смесь через вращающийся коленчатый вал, позволяя воспламенителю воспламенять воздух для воспламенения. Это высвобождает взрыв химической энергии, которая преобразуется в работу и позволяет транспортному средству двигаться, при этом поршень выталкивает избыток сгоревшего газа в виде выхлопа [6]. Двухтактные двигатели также существуют для небольших транспортных средств и более простых машин, но общая механика сжатия и воспламенения воздушно-топливных смесей для получения мощности остается неизменной [7]. В настоящее время существует два основных типа двигателей внутреннего сгорания: с искровым зажиганием для бензина и с воспламенением от сжатия для дизельного топлива. В то время как каждый тип имеет свою соответствующую эффективность и стратегию зажигания, общий четырехтактный цикл остается постоянным для обоих двигателей и также может работать на альтернативных видах топлива или в сочетании с гибридными электрическими трансмиссиями для увеличения экономии топлива [8].
В случае гибридизации традиционный двигатель внутреннего сгорания будет объединен с электродвигателем, который может накапливать и использовать электроэнергию, как показано на рисунке 2, чтобы объединить преимущества электромобилей с традиционными транспортными средствами. Поскольку это гибрид, двигатель внутреннего сгорания будет по-прежнему оставаться основным источником энергии автомобиля, а аккумулятор будет подавать дополнительную мощность при необходимости [4]. Основная зависимость от двигателя внутреннего сгорания позволила бы гибридам иметь мощность и запас хода обычных автомобилей, что намного больше, чем у традиционного электромобиля. При поддержке аккумуляторной батареи гибрид может извлечь выгоду из вспомогательных нагрузок с питанием и снижения холостого хода двигателя. Более того, двигатель внутреннего сгорания можно было бы уменьшить до модели меньшего размера без ущерба для производительности [9].].
Обычные двигатели внутреннего сгорания очень тяжелые и добавляют огромный вес транспортному средству, следовательно, требуется, чтобы двигатель работал больше, чтобы перемещать массу. Это очень неэффективно с точки зрения расхода топлива и приводит к выбросу ненужных парниковых газов в атмосферу. С двигателем меньшего размера вес транспортного средства будет уменьшен, и, следовательно, потребуется меньше лошадиных сил, необходимых для работы. В свою очередь, гибриды обеспечивают низкий уровень выбросов выхлопных газов, поскольку меньший двигатель работает более эффективно и в основном при необходимости, что приводит к минимальному загрязнению оксидами азота (NOx), твердыми частицами и выбросами углекислого газа (CO2). Последовательно, это помогло бы уменьшить глобальное потепление и сохранить почти исчерпанные запасы ископаемого топлива, в конечном итоге соблюдая правовые стандарты и удовлетворяя цели, которые пытаются достичь правительства [9].]. Вместе двигатель и аккумулятор смогут обеспечить гибридам высокую экономию топлива наряду с эффективностью и запасом хода обычных автомобилей, при этом сокращая расход топлива и сохраняя энергию.
Поскольку электродвигатель является одним из основных компонентов гибридного транспортного средства, отсутствие каких-либо внешних зарядных портов для поддержания заряда аккумулятора на полном гибриде, как показано на рисунке 2, может показаться очень удивительным. Как оказалось, двигатель внутреннего сгорания в первую очередь отвечает за зарядку аккумулятора этих полных гибридов на протяжении всей нормальной эксплуатации автомобиля. Электродвигатель может способствовать зарядке с помощью метода рекуперативного торможения (RB), при котором энергия, обычно теряемая во время торможения, захватывается электродвигателем, который затем генерирует и сохраняет захваченную энергию в аккумуляторе в виде электричества [9].].
Группа итальянских исследователей во главе с Джанфранко Риццо стремилась количественно определить количество энергии, регенерируемой RB в среднем гибридном автомобиле. Рассчитав количество кинетической энергии, которой обладает транспортное средство на определенной скорости, и сравнив его с тем, сколько энергии батарея сохраняет после каждого торможения, исследователи построили график на рисунке 3. Они отметили, что их более низкие скорости были может позволить батарее восстановить до 40% энергии автомобиля, но не может на очень высоких скоростях из-за повышенной сложности извлечения энергии из более быстрых автомобилей. Команда считает, что помеха может быть связана с различными факторами, связанными с механическим торможением, а также с ограничениями аккумуляторной батареи [10].
Сопротивление также может быть главной причиной этого препятствия, поскольку сила создает трение в системе, пропорциональное увеличению скорости. Поскольку сопротивление уменьшает общую механическую энергию системы, RB также уменьшится, поскольку будет меньше энергии, которую можно было бы восстановить; в конечном итоге приводит к наблюдаемым результатам. Тем не менее, их данные показывают, что гибриды лучше всего подходят для более низких скоростей и движения с частыми остановками, чтобы они могли полностью реализовать потенциальные преимущества электродвигателя. Гибридизация — это осуществимый вариант, который может помочь в будущем продвигать двигатели внутреннего сгорания наряду с электромобилями с минимальным воздействием на окружающую среду.

 

2.2. Воспламенение от сжатия с однородным зарядом

Хотя гибридные электромобили лучше всего подходят для более медленного движения с частыми остановками, двигатели внутреннего сгорания также должны быть хорошо оборудованы для более быстрого движения по шоссе, чтобы лучше противостоять электромобилям. Для этого многие разработчики обратились к низкотемпературной системе воспламенения гомогенного заряда от сжатия (HCCI). HCCI работает с бензином в системе воспламенения от сжатия, обычно используемой для дизельных двигателей, где воздушно-топливная смесь подается на такте впуска. Затем двигатель с системой самовоспламенения сжимает смесь до тех пор, пока она не станет достаточно горячей, чтобы вся смесь воспламенилась одновременно и равномерно. Это значительное улучшение по сравнению с системами искрового зажигания для бензиновых двигателей, которые смешивают топливо и воздух вместе во время такта впуска, и по сравнению с обычными дизельными двигателями [8].
При использовании более мощной системы дизельного двигателя HCCI может обеспечить максимальную работу поршней автомобиля без образования сажи из бензина или чрезмерного уровня выбросов NOx или CO2 в процессе, что соответствует государственным нормам по выбросам [11]. Это связано с более равномерным распределением топлива по полости двигателя, благодаря чему не образуются локальные карманы бедной/богатой смеси. Кроме того, HCCI может обеспечить большую эффективность использования топлива, чем традиционные искровые и компрессионные двигатели, благодаря более высокой степени сжатия, а также предложить значительную удельную мощность по сравнению с батареями EV [12].
Несмотря на потрясающую производительность и экологические преимущества этой системы, HCCI, как сообщается, очень трудно контролировать с точной настройкой температуры впуска и момента зажигания, необходимых для достижения максимальной выгоды, как показано на рисунке 4 [12]. По словам инсайдеров в отрасли, если сгорание HCCI произойдет слишком рано, когда поршень движется вверх, то двигатель может быть серьезно поврежден, а если это произойдет слишком поздно, когда поршень движется вниз, общая эффективность двигателя будет потеряна [11]. . Эти условия допускают только ограниченный диапазон стабильного горения и, следовательно, ограниченное рабочее окно. Сказав это, HCCI все еще может оказаться отличной технологией будущего для двигателей внутреннего сгорания, если правильные автопроизводители смогут использовать ее должным образом.

    


2.3. Водородный двигатель внутреннего сгорания

Если внедрение HCCI нежелательно из-за его четких требований, то можно также рассмотреть возможность использования альтернативных видов топлива в двигателях внутреннего сгорания. Альтернативными видами топлива, которые может использовать двигатель внутреннего сгорания, являются природный газ, пропан, биодизель или этанол [8]. Водород является обычным газом и представляет собой заманчивую перспективу в качестве альтернативного источника топлива из-за его эффективности и снижения вредных выбросов.
Коммерческий водород для этих транспортных средств в США в основном получают в процессе паровой конверсии, когда перегретый пар смешивается с природным газом для извлечения водорода. Паровой риформинг относительно прост, но в качестве побочных продуктов образуются угарный газ и следы CO2, наносящие вред окружающей среде. Методы электролиза — это альтернативный метод, который использует возобновляемые источники энергии и не приводит к выбросу вредных парниковых газов в процессе. Хотя это идеально, электролиз более энергозатратен и поэтому редко применяется в массовом масштабе [13].
Независимо от источника, коммерческий водород универсален и очень совместим с двигателем внутреннего сгорания. Двигатели с водородным двигателем работают аналогично традиционной бензиновой системе искрового зажигания, где используется обычный четырехтактный цикл, но вместо бензина используется водород [14]. Однако, в отличие от двигателя внутреннего сгорания, водородный двигатель внутреннего сгорания не выделяет CO2 или твердые частицы, а выбрасывает водяной пар, поскольку сгорает только водород. Также могут образовываться следовые количества NOx, но их можно очистить с помощью систем доочистки выхлопных газов [13].
При практическом использовании водородные двигатели внутреннего сгорания должны оказаться надежными и экономичными в долгосрочной перспективе, но потребуют больших затрат на модернизацию двигателя внутреннего сгорания, чтобы он мог успешно работать на водороде. Большинство этих обновлений будет связано с хранением водорода на борту транспортного средства. Водород имеет очень низкую объемную плотность энергии, и ему потребуются резервуары для хранения, которые могут сжимать бортовой элемент при высоких нагрузках давления 5000 или 10 000 фунтов на квадратный дюйм, чтобы значительно увеличить плотность энергии элемента. Только благодаря такому сжатию под высоким давлением автомобили с ДВС на водороде могут достичь и, возможно, превзойти диапазон пробега обычных автомобилей до дозаправки [13].
Наряду с установкой водородных баков на транспортном средстве для хранения, топливопроводы высокого давления и форсунки, соединяющие бак с заправочной горловиной и двигателем, также необходимы водителям для заправки и обеспечения водородным топливом своего автомобиля [13]. Несмотря на усилия, необходимые для установки этих компонентов, только большегрузные грузовики и автобусы смогут эффективно использовать эти двигатели, поскольку эти автомобили имеют достаточный объем для хранения этих тяжелых танков на борту и движения [14].
Даже если в ближайшем будущем удастся переоборудовать только большегрузные автомобили, преобразование этих транспортных средств все равно принесет большую пользу окружающей среде. Согласно отраслевым оценкам на рисунках 5 и 6, транспортный сектор выбрасывает в атмосферу больше всего парниковых газов, большая часть которых приходится на грузовые автомобили. Преобразование только большегрузных автомобилей в водородные транспортные средства позволит устранить примерно 26% выбросов в этом секторе, если предположить, что водород производится путем электролиза с использованием возобновляемых источников энергии [14,15]. Кроме того, большегрузные грузовики будут иметь увеличенную грузоподъемность по сравнению с их аналогами электромобилей, поскольку топливные баки с водородом меньше по размеру, чем электрические батареи, что освобождает место в автомобиле. Это позволит каждому грузовику перевозить больше грузов, чем обычно, и, таким образом, уменьшит потребность и количество грузовиков на дорогах, что принесет пользу окружающей среде [16].
Тем не менее, у этих транспортных средств может быть та же проблема, что и у электромобилей, когда водители могут ездить только там, где присутствует водород, и это может вызвать сложную ситуацию, если у водителя заканчивается топливо, а места для заправки нигде нет [14]. Тем не менее, водородные двигатели внутреннего сгорания обладают гибкостью, мощностью и запасом хода, необходимыми для большегрузных грузовиков, которые не могут обеспечить электромобили, и все это без какого-либо дополнительного вреда для окружающей среды.

 

4. Заключение

В двигателе внутреннего сгорания необходимо будет использовать методы гибридизации, воспламенение от сжатия гомогенного заряда и/или водородное топливо, чтобы соответствовать государственным нормам по выбросам и обеспечить долгосрочное будущее в условиях роста числа электромобилей. Гибридизация позволяет транспортным средствам использовать преимущества обычных бензиновых двигателей с электрическими батареями, помогая повысить эффективность и сэкономить топливо. Система HCCI позволяет автомобилям увеличить удельную мощность при минимальном выбросе вредных веществ. Двигатели с водородным двигателем обеспечивают высокую эффективность использования топлива при практически нулевых выбросах. Независимо от того, по какому пути пойдут эти машины, их будущее светло во всех отношениях и, при наличии правильных автопроизводителей, позволит двигателям внутреннего сгорания выжить в будущем среди электромобилей и законов.

 

5. Будущая работа

Как и в случае с любым типом машин, двигатели внутреннего сгорания претерпят множество итераций в истории по мере развития исследований и разработок наряду с передовыми технологиями. В ближайшем будущем ресурсы по этим двигателям должны быть сосредоточены на обсуждаемых тенденциях и на том, как лучше всего реализовать их в последующих моделях. Исследователи должны сосредоточиться на том, как позволить автомобилю двигаться в более плотном потоке и увеличить рекуперацию энергии от рекуперативного торможения. С другой стороны, экспериментаторам следует изучить систему HCCI, чтобы выяснить, как лучше всего расширить диапазон точности, необходимый для работы, без ущерба для производительности. Кроме того, автопроизводителям следует сосредоточиться на возможности внедрения в местных городах водородных заправочных насосов, аналогичных зарядным станциям для электромобилей; а также найти способ для небольших транспортных средств правильно хранить и сжимать водород при нужном давлении в ограниченном доступном пространстве. В целом, постоянная поддержка исследований в любой области может позволить двигателю внутреннего сгорания процветать в более чистом и более эффективном будущем.

 

Процитировано

[1] Полностью электрические транспортные средства, Центр данных по альтернативным видам топлива: Полностью электрические транспортные средства. (н.д.). https://afdc.energy.gov/vehicles/electric_basics_ev.html (по состоянию на 14 сентября 2022 г.).
[2] С. Коэн, Кончина двигателя внутреннего сгорания, Состояние планеты. (2022). https://news.climate.columbia.edu/2022/08/29/the-demise-of-the-internal-combustion-engine/ (по состоянию на 14 сентября 2022 г.).
[3] На пути к 2025 году: будущее электромобилей, J.P. Morgan Research. (2018). https://www.jpmorgan.com/insights/research/electric-vehicles (по состоянию на 14 сентября 2022 г.).
[4] IC Engine V/S Electric Vehicle, Императорское общество инженеров-новаторов. (2021). https://imperialsociety.in/16212-2/ (по состоянию на 14 сентября 2022 г.).
[5] Дж. Фенске, Почему газовые двигатели далеко не мертвы — самые большие проблемы электромобилей, Инженерное объяснение. (2020). https://www.youtube.com/watch?v=Hatav_Rdnno (по состоянию на 14 сентября 2022 г.).
[6] К.С. Колвелл, Вот как работает двигатель вашего автомобиля, Автомобиль и водитель. (2019). https://www.caranddriver.com/features/a26962316/how-a-car-works/ (по состоянию на 14 сентября 2022 г.).
[7] Четырехтактные двигатели: что это такое и как они работают?, Универсальный технический институт. (2022). https://www.uti.edu/blog/motorcycle/how-4-stroke-engines-work (по состоянию на 14 сентября 2022 г.).
[8] Министерство энергетики США, Основы двигателей внутреннего сгорания, Управление транспортных технологий. (2013). https://www.energy.gov/eere/vehicles/articles/internal-combustion-engine-basics (по состоянию на 14 сентября 2022 г.).
[9] Гибридные электромобили, Центр данных по альтернативным видам топлива: гибридные электромобили. (н.д.). https://afdc.energy.gov/vehicles/electric_basics_hev.html (по состоянию на 14 сентября 2022 г.).
[10] Г. Риццо, Ф. А. Тиано, В. Мариани, М. Марино, Оптимальная модуляция рекуперативного торможения в гибридных транспортных средствах для бездорожья, Энергия. 14 (2021) 6835. doi:10.3390/en14206835.
[11] Дж. Фенске, Если у двигателей внутреннего сгорания есть будущее, то какое оно? Объяснение техники. (2021). https://www.youtube.com/watch?v=gwjbElCKkYs (по состоянию на 14 сентября 2022 г.).
[12] HCCI (воспламенение от сжатия с однородным зарядом): Innovation, Nissan.