XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Двигатель внутреннего сгорание ДВС

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Сафронов А.Е. 1

---

1Школа МОУ СОШ №4 11 класс

Деменева А.Н. 1

---

1Школа МОУ СОШ №4

Работа в формате PDF

650.5 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Глава 1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
1.1Историческая справка: от идеи к массовому применению

1673–1680: Христиан Гюйгенс предлагает идею поршневого двигателя, работающего на порохе (практически не реализована).

 За менее чем 50 лет (с 1876 по 1920-е гг.) ДВС прошел путь от опытных образцов до доминирующего силового агрегата в мировом транспорте (наземном, водном, воздушном) и энергетике, определив развитие цивилизации в XX веке. Его успех был обусловлен компактностью, высокой удельной мощностью, автономностью (по сравнению с паровой машиной) и возможностью работы на энергоемком жидком топливе.

1.2 Понятие, классификация и общий принцип работы ДВС

Принцип работы

Работа ДВС строится на чередовании четырёх тактов:

Впуск — поршень начинает движение из верхней точки вниз, система управления двигателем открывает впускной клапан, и в цилиндр врывается свежая порция топливовоздушной смеси.

Сжатие — оба клапана — впускной и выпускной — плотно закрыты, возвращающемуся поршню некуда девать захваченную смесь, и он начинает её сжимать в маленьком объёме у самой верхней точки своего хода, в пространстве, которое называется камерой сгорания.

Рабочий ход — тепловая энергия, скрытая в молекулах топлива, превращается в полезную механическую работу: движение поршня через шатун передаётся на коленвал, заставляя его вращаться с новой силой.

Выпуск — открывается выпускной клапан, и поршень выталкивает отработавшие газы через выпускной коллектор в выхлопную систему, чтобы освободить место для новой порции свежего заряда.

1.3Сравнение типов ДВС: бензиновые, дизельные, роторно-поршневые

Бензиновый и Дизельный

Бензиновый — для динамики, тишины, доступности и меньших первоначальных затрат. Выбор для города и массовых авто.

Дизельный — для экономии, тяги на "низах" и больших пробегов. Выбор для дальнобоя, внедорожников и коммерческого транспорта.

Поршневой (бенз/дизель) и Роторный:

Поршневые — это компромисс, надежность, отработанность и эффективность. Основа мировой транспортной системы.

Роторный — это инженерная экзотика, выдающаяся удельная мощность и плавность ценой низкой практичности (ресурс, экономичность, экология). Технический курьез, не выдержавший конкуренции по объективным причинам.

Таким образом, в массовом применении конкурентная борьба ведется между усовершенствованными бензиновыми и дизельными двигателями, в то время как роторно-поршневой остается интересной, но непрактичной альтернативой для энтузиастов.

ГЛАВА 2. СТРОЕНИЕ И ПРИНЦИП РАБОТЫ ЧЕТЫРЁХЦИЛИНДРОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

2.1Конструкция и основные компонеты ДВС: блок цилиндров, КШМ, ГРМ

1. Блок цилиндров (Блок двигателя)

Назначение: Это основа (остров) двигателя. Главная несущая деталь, в которой размещены и работают другие узлы.
Конструкция и особенности:

Изготавливается из чугуна (прочность, долговечность) или алюминиевого сплава (облегчение веса).

Внутри него выполнены цилиндры — направляющие для поршней. Их количество определяет тип двигателя (рядный, V-образный и т.д.).

Внутри блока проходят масляные каналы (система смазки) и рубашка охлаждения (каналы для циркуляции охлаждающей жидкости вокруг цилиндров).

Снизу к блоку крепится картер — резервуар для моторного масла.

Сверху устанавливается головка блока цилиндров (ГБЦ), сбоку — навесное оборудование (генератор, стартер и др.).

2. Кривошипно-шатунный механизм (КШМ)

Назначение: Преобразует возвратно-поступательное движение поршней во вращательное движение коленчатого вала (которое затем идет на колеса).
Основные компоненты:

3. Газораспределительный механизм (ГРМ)

Назначение: Своевременно открывает и закрывает впускные и выпускные клапаны в каждом цилиндре, обеспечивая наполнение цилиндров свежей смесью и выпуск отработавших газов. Работает в строгой синхронизации с КШМ.
Основные компоненты:

2.2 Детальный разбор четырёх тактов работы: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск

Рабочий цикл четырёхтактного двигателя состоит из четырёх тактов, каждый из которых представляет один ход поршня между мёртвыми точками:

Впуск. Длится от 0 до 180° поворота кривошипа. Поршень движется вниз от верхней мёртвой точки, открыт впускной клапан. В цилиндре образуется разрежение, за счёт которого в него засасывается свежий заряд. При наличии нагнетателя смесь нагнетается в цилиндр под давлением.

Сжатие. Длится от 180 до 360° поворота кривошипа. Поршень движется к верхней мёртвой точке, при этом заряд сжимается поршнем до давления степени сжатия. В двигателях Отто любой конструкции сжимается горючая смесь, в дизелях — чистый воздух. В конце такта сжатия происходит зажигание заряда в двигателях Отто или начало впрыска топлива в двигателях Дизеля.

Рабочий ход. Длится от 360 до 540° поворота кривошипа. Поршень движется в сторону нижней мёртвой точки под давлением горячих газов, передаваемого поршнем через шатун коленчатому валу. На коленчатый вал насажен маховик, обеспечивающий равномерное вращение и работу остальных тактов по инерции.

Выпуск. Длится от 540 до 720° поворота кривошипа. Очистка цилиндра от отработавшей смеси. Выпускной клапан открыт, поршень движется в сторону верхней мёртвой точки, вытесняя отработавшие газы из цилиндра в атмосферу.

2.3 Система зажигания: от катушки до свечи, момент подачи искры

Назначение: Создать высоковольтный электрический разряд (искру) в камере сгорания в строго определенный момент времени для воспламенения топливовоздушной смеси.

Принцип действия и компоненты (на примере современной системы с индивидуальными катушками зажигания):

ЭБУ (Электронный Блок Управления) – «мозг» системы. На основе данных с датчиков (положения коленвала, распредвала, детонации, расхода воздуха) рассчитывает оптимальный угол опережения зажигания (УОЗ) – когда нужно дать искру

Катушка зажигания – трансформатор, преобразующий низковольтное напряжение бортовой сети (12В) в высоковольтный импульс (15-35 кВ). Принцип: при прерывании тока в первичной обмотке во вторичной генерируется высокое напряжение.

Высоковольтные провода (в системах с одной катушкой на несколько цилиндров) или наконечник (в системах с индивидуальными катушками) – проводят высокое напряжение к свече.

Свеча зажигания – финальный элемент. Центральный и боковой электроды, между которыми и проскакивает искра, воспламеняя смесь. Зазор между электродами критически важен.

Момент подачи искры (Угол Опережения Зажигания – УОЗ):

Зачем нужен опережение? Смесь сгорает не мгновенно, а с некоторой скоростью. Чтобы давление газов достигло максимума, когда поршень уже начал рабочий ход (чуть после ВМТ), искру нужно подать до прихода поршня в ВМТ.

Как определяется? ЭБУ динамически меняет УОЗ в зависимости от:

Оборотов двигателя: Чем выше обороты, тем раньше нужна искра (большее опережение), так как у поршня меньше времени на рабочий ход.

Нагрузки(разрежения в коллекторе): При большой нагрузке (низкое разрежение) нужен более поздний угол, чтобы избежать детонации. При малой нагрузке (высокое разрежение) – более ранний для стабильности.

Температуры и состава смеси

Неправильный УОЗ: Слишком раннее зажигание → детонация («стук пальцев»), разрушение двигателя. Слишком позднее → потеря мощности, перегрев, повышенный расход.

2.4 Система смазки: масляный насос, фильтр, магистрали

Назначение: Подача моторного масла к трущимся поверхностям деталей для снижения трения, отвода тепла, удаления продуктов износа и защиты от коррозии.

Принцип работы (комбинированная система):
Масло находится в поддоне картера. Работает по замкнутому циклу.

Масляный насос: Приводится от коленвала. Засасывает масло из поддона и создает давление в системе. Типы: шестеренчатые (надежные), роторные (компактные).

Редукционный клапан: Стоит в насосе или рядом. Сбрасывает излишки давления, возвращая масло во впускную полость насоса или поддон, если давление превышает норму (например, на холодном густом масле).

Масляный фильтр: Полнопоточный фильтр очищает все масло, идущее от насоса, от механических примесей и продуктов износа. Имеет перепускной клапан, который открывается, если фильтр забит, чтобы масло все равно поступало в двигатель (лучше грязное, чем никакого).

Масляные магистрали (каналы): Сеть каналов в блоке и головке цилиндров, по которым масло под давлением подается к коренным и шатунным подшипникам коленвала, опорам распредвала, валу турбины и т.д.

Масляная пленка и разбрызгивание: К шатунным шейкам и стенкам цилиндров масло часто подается через отверстия в шатунах и специальные форсунки охлаждения поршней или просто разбрызгивается из зазоров.

Стекание: После прохождения всех узлов масло самотеком стекает

обратно в поддон.

2.5 Система охлаждения: жидкостная vs воздушная, принцип работы термостата

Назначение: Поддержание оптимального теплового режима двигателя (~85-100°C).

Сравнение типов:

Принцип работы термостата в жидкостной системе:

Назначение: Ускорять прогрев двигателя и поддерживать оптимальную температуру, регулируя путь циркуляции жидкости.

Конструкция: Клапан с термочувствительным элементом (восковой шарик), который расширяется при нагреве.

Принцип работы:

Холодный двигатель: Термостат закрыт. Охлаждающая жидкость циркулирует по малому кругу (только внутри двигателя и печки салона), минуя радиатор. Это позволяет мотору быстро выйти на рабочую температуру.

При достижении ~85-95°C: Воск в термостате плавится и расширяется, открывая основной клапан. Жидкость начинает идти по большому кругу через радиатор, где охлаждается набегающим потоком воздуха (или вентилятором).

Регулировка: Термостат постоянно модулирует степень открытия, поддерживая температуру в узком диапазоне.

2.6 Система выпуска отработавших газов: коллектор, катализатор, глушитель

Назначение: Отвод отработавших газов из цилиндров, снижение их токсичности и шума.

Компоненты и их функции (от двигателя к выходу):

Выпускной коллектор («паук»): Первый приемник газов из всех цилиндров. Изготавливается из чугуна или жаропрочной стали. В современных моторах часто используется трубчатый (равновыпускной) коллектор, который минимизирует сопротивление и взаимовлияние выхлопных импульсов, улучшая продувку цилиндров (эффект «скэвэнджинга»).

Каталитический нейтрализатор (катализатор):

Назначение: Снижение токсичности выхлопа за счет дожигания и преобразования вредных веществ.

Принцип: Внутри металлического или керамического блока с сотовой структурой нанесен сок драгоценных металлов (платина, палладий, родий), выступающих катализаторами химических реакций:

CO (угарный газ) + O₂ → CO₂ (углекислый газ).

CₓHₓ (углеводороды) + O₂ → CO₂ + H₂O.

NOₓ (оксиды азота) → N₂ + O₂.

Для эффективной работы требуется точное соотношение топливо/воздух (λ≈1), обеспечиваемое системой управления двигателем с датчиком кислорода (лямбда-зондом).

Глушитель (резонатор, основной глушитель):

Назначение: Гашение звуковых волн и снижение шума выхлопа.

Принцип: Газы проходят через систему камер с перфорированными трубами и перегородками. Звуковые волны гасятся за счет:

Расширения и сужения потока (расход энергии).

Интерференции – столкновения волн, отраженных от стенок, в противофазе.

Поглощения звука пористым материалом (минеральная вата)

Соединительные трубы: Связывают все элементы в единую систему. Часто включают гибкую сильфонную вставку (виброкомпенсатор), которая гасит вибрации двигателя, не передавая их на выхлопную систему.

Кислородные датчики (лямбда-зонды): Устанавливаются до и после катализатора (входной и выходной). Передают данные о содержании кислорода в выхлопе в ЭБУ для корректировки состава смеси и контроля исправности катализатора.

ГЛАВА 3 ПРИМЕНЕНИЕ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ

3.1 Области применения ДВС: транспорт, энергетика, сельское хозяйство, спецтехника …

Признаки классификации ДВС могут быть различными и определяются как назначением, особенностями практического применения, так и принципами построения, элементами конструкции и др. Поэтому при некоторой условности все же следует отметить следующие общепринятые принципы и признаки классификации поршневых двигателей.

1. По назначению: стационарные, переносные, транспортные (автомобильные, тракторные, судовые, авиационные и др.).

2. По роду применяемого топлива: двигатели легкого топлива, тяжелого, газообразного, многотопливные.

3. По способу осуществления зарядки цилиндров: четырехтактные и двухтактные двигатели.

4. По способу смесеобразования: двигатели с внешним и внутренним смесеобразованием.

5. По способу воспламенения смеси: двигатели с искровым зажиганием и двигатели с воспламенением от сжатия.

6. По конструктивному расположению цилиндров и схеме: рядные и звездообразные, вертикальные и горизонтальные схемы. Кроме того, рядные двигатели подразделяют на V-, W-, H-, Y- и X-образные и др. Некоторые варианты компоновки представлены на рис.1.1.

7. По способу охлаждения двигатели разделяют на двигатели с жидкостным и воздушным охлаждением.

Помимо перечисленных признаков иногда двигатели классифицируют по способам регулирования, скорости вращения, признакам цикла, наличию систем наддува и т.д.

В современных автомобилях применяются преимущественно четырехтактные поршневые двигатели с рядным, V-образным и оппозитным расположением цилиндров.

3.2 Актуальные методы снижения вредного воздействия: каталитические нейтрализаторы, сажевые фильтры, стандарты Евро, переход на гибриды и альтернативное топливо ДВС

Повышение топливной экономичности автомобиля достигается главным образом за счет совершенствования процесса сгорания в ДВС: послойное сжигание топлива; форкамерно-факельное сжигание; применение подогрева и испарения топлива во впускном тракте; использование электронного зажигания. Дополнительными резервами повышения экономичности автомобиля являются:

— снижение массы автомобиля за счет усовершенствования его конструкции и применения неметаллических и высокопрочных материалов;

— улучшение аэродинамических показателей кузова (последние модели легковых автомобилей обладают, как правило, на 30…40 % меньшим коэффициентом лобового сопротивления);

— снижения сопротивления воздушных фильтров и глушителей, отключения вспомогательных агрегатов, например вентилятора и т. п.;

— снижения массы перевозимого топлива (неполное заполнение баков) и массы инструментов.

Современные модели легковых автомобилей существенно отличаются по топливной экономичности от предшествующих моделей.

Перспективные марки легковых автомобилей будут обладать расходом бензина 3,5 л/100 км и менее. Повышение экономичности автобусов и грузовых автомобилей достигается прежде всего применением дизельных ДВС. Они обладают экологическими преимуществами по сравнению с бензиновыми ДВС, поскольку имеют меньший на 25…30 % удельный расход топлива; кроме того, состав отработавших газов у дизельного ДВС менее токсичен 

Очевидно, что двигатель внутреннего сгорания недостаточно экономичен и по сути имеет невысокий КПД. Это заставляет ученых искать альтернативы – в частности, создавать доступный электрический или водородный транспорт. Однако последние разработки показывают, что ДВС можно сделать по-настоящему эффективным. За счет чего это осуществимо и что мешает применять такие технологии на практике уже сейчас?

Электро мотор

компании EcoMotors International творчески переработали конструкцию традиционного ДВС. Он сохранил поршни, шатуны, коленвал и маховик, однако новый двигатель на 15-20% эффективнее, кроме того намного легче и дешевле в производстве. При этом двигатель может работать на нескольких видах топлива, включая бензин, дизель и этанол.

В целом двигатель EcoMotors имеет элегантную простую конструкцию, в которой на 50% меньше деталей, чем в обычном моторе

Добиться этого удалось с помощью использования оппозитной конструкции двигателя, в которой камеру сгорания образуют два поршня, двигающихся

навстречу друг другу. При этом двигатель двухтактный и состоит из двух модулей по 4 поршня в каждом, соединенных специальной муфтой с электронным управлением. Двигателем полностью управляет электроника, благодаря чему удалось добиться высокого КПД и минимального расхода топлива. Например, в пробке и других случаях, когда полная мощность двигателя не нужна, работает только один модуль из двух, что уменьшает расход топлива и шум.

3.3 БудущееДВС: повышение КПД, синтетическое топливо, сочетание с электродвигателями

Повышение КПД

• Внедрение новых технологий. Например:

  • Использование цикла Адкинсона. Особый механизм газораспределения с перекрытием клапанов увеличивает степень сжатия, что повышает эффективность и минимизирует расход топлива. 

  • Нанесение специального теплозащитного состава на поршни. Это увеличивает температуру газов в камере сгорания на 50–100 градусов, что, по расчётам, увеличивает КПД в диапазоне от 10 до 20%. 

  • Регулирование степени сжатия и фаз газораспределения в процессе эксплуатации двигателя. Это позволяет иметь повышенный термический КПД, особенно при частичных нагрузках. 

Синтетическое топливо

• Развитие технологии e-топлива (e-fuel). Оно, по заявлениям разработчиков, — экологичная замена традиционному топливу, производимому из нефтепродуктов. Некоторые особенности:

  • Производится из водорода, который отделяется от воды в процессе электролиза, с использованием возобновляемой электроэнергии (например, от ветряных и солнечных электростанций). 

  • Совместимо с ДВС, подходит для уже существующих АЗС.

Однако есть и сомнения в экологичности e-топлива: энергоёмкость производственного процесса ставит под сомнение экологичность получаемого конечного продукта.

Сочетание с электродвигателями

• Развитие гибридных автомобилей. Они используют два вида энергии — топливо и электричество. Некоторые типы гибридных автомобилей:

  • Параллельные — ДВС и электродвигатель работают вместе, обеспечивая тягу и разделяя нагрузку. Это позволяет снизить расход топлива, особенно при старте и разгоне.

  • Последовательные — ДВС не участвует напрямую в движении автомобиля, а лишь вырабатывает энергию для зарядки батареи, которая питает электромотор. Электродвигатель отвечает за движение.

  • «Мягкие» гибриды — электродвигатель не способен приводить машину в движение самостоятельно, а лишь помогает ДВС в определённых ситуациях (например, при старте или ускорении), снижая нагрузку на основной двигатель.

ГЛАВА IV. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ: ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕЙСТВУЮЩЕЙ МОДЕЛИ-ДЕМОНСТРАТОРА

4.1 — Упрощённая модель одноцилиндрового двигателя с электрическим приводом

упрощённая модель одноцилиндрового двигателя внутреннего сгорания. Обозначены основные элементы: электромотор (1), источник питания (2), коленчатый вал (3), шатун (4), поршень (5), цилиндр (6). Модель предназначена для наглядной демонстрации тактов работы двигателя внутреннего сгорания.

1 источник питания

2 коленчатый вал

3 шатун

4 поршень

5 Цилиндр

4.2 Построение упрощенной модели одноцилиндрового двигателя с электрическим приводом для наглядной демонстрации тактов

Сборка

Некоторые детали, которые могут быть включены в модель:

Детали двигателя (цилиндр, поршень, коленчатый вал, шатун и др.).

Детали для электрического привода (электродвигатель, питание от батарейного отсека).

Прозрачный блок двигателя — позволяет наблюдать за работой каждой шестерни.

Звуковой модуль — воспроизводит характерный звук двигателя.

Светодиодная имитация работы свечей зажигания — во время работы модели.

В комплект модели часто входят подробная инструкция по сборке и все необходимые инструменты

4.3 Техника безопасности при работе

При работе с двигателем внутреннего сгорания необходимо строго соблюдать правила техники безопасности, так как двигатель содержит движущиеся части, нагретые поверхности и электрические элементы.

Перед началом работы следует убедиться в исправности оборудования, надёжности крепления всех деталей и отсутствии оголённых проводов. Запрещается включать двигатель при наличии видимых повреждений или неисправностей.

Во время работы двигателя нельзя прикасаться к вращающимся и движущимся частям механизма, а также к нагретым поверхностям. Длинные волосы должны быть убраны, а свободная одежда — заправлена, чтобы избежать попадания в механизм.

Работу следует проводить в хорошо проветриваемом помещении. Запрещается использовать двигатель вблизи легковоспламеняющихся веществ. При появлении посторонних шумов, запаха гари или перегрева необходимо немедленно отключить питание.

После окончания работы двигатель должен быть полностью остановлен и отключён от источника питания. Рабочее место необходимо привести в порядок.

Заключение

В ходе выполнения индивидуального проекта был изучен принцип работы двигателя внутреннего сгорания. Были рассмотрены основные элементы двигателя и четыре такта его работы: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск.

В практической части проекта была собрана упрощённая модель одноцилиндрового двигателя с электрическим приводом. Использование модели позволило наглядно проследить работу кривошипно-шатунного механизма и движение поршня внутри цилиндра, что помогло лучше понять физические процессы, происходящие в двигателе внутреннего сгорания.

Поставленная цель проекта была достигнута, а все задачи выполнены. В ходе работы были закреплены знания по теме «Двигатель внутреннего сгорания», а также получены практические навыки работы с простыми механизмами и электрическими устройствами.

Данный проект может быть использован в учебных целях на уроках физики для наглядной демонстрации принципа работы двигателя внутреннего сгорания.