Экологические аспекты автомобильных двигателей

Тамбовское областное государственное автономное образовательное профессиональное учреждение

 «Промышленно-технологический колледж»

Исследовательская работа

  На тему:

                   Экологические аспекты автомобильных двигателей

                                                                                       Работу выполнил обучающийся

                                                                                              Группы 1.1 Черных Максим

                                                                                         Руководитель

мастер п/о:

                                                                                               Мелехов Дмитрий

Николаевич

Цель работы: сравнивать между собой различные виды двигателей

Обоснование проекта:

Ежегодно в мире в автомобильных двигателях внутреннего сгорания сжигается около 2 млрд. тонн нефтяного топлива.

Коэффициент полезного действия в среднем составляет 23%, остальные 77% уходят на обогрев окружающей среды. То есть всего менее четверти топлива тратится на движение  автомобиля, остальные три четверти сгорает впустую.

Двигатель — устройство, преобразующее энергию (например, сгорания топлива) в механическую работу.

Некоторые любопытные данные про автомобили

•      К концу 2009 года во всем мире будет насчитываться в общей сложности 1 млрд. автомобилей. (Например, в 2007 году в мире насчитывалось 942 млн. транспортных средств.)

•      Ежегодно в мире в автомобильных двигателях внутреннего сгорания сжигается около 2 млрд. тонн нефтяного топлива.

•      Коэффициент полезного действия в среднем составляет 23%, остальные 77% уходят на обогрев окружающей среды. То есть всего менее четверти топлива тратится на движение  автомобиля, остальные три четверти сгорает впустую.

Основные проблемы 

•      Ограниченность основных ресурсов (нефти) на планете.

•      Загрязнение окружающей среды (автомобилями, заводами при переработки нефти, при добыче нефти).

•      Неэффективное использование нефтяного топлива (низкий КПД).

Цель автомобилестроителей

•      Создание экологически чистого двигателя, потребляющего в виде топлива возобновляемые природные ресурсы.

•      Двигатель должен быть компактным, мощным, простым в производстве и эксплуатации и иметь высокий КПД.

Пути поиска решения проблемы

•      Усовершенствование существующих бензиновых или дизельных двигателей, путем очищения выхлопа двигателей, использование новых композитных материалов для двигателей и автомобилей, использование каталитических нейтрализаторов, использование добавок для топлива понижающих выхлоп вредных веществ и повышающий теплоотдачу топлива.

•      Изобретение принципиально новых видов топлива и двигателей.

Бензиновые автомобильные двигатели

•      Изобретателями бензинового двигателя официально признаны только два немецких конструктора: Готлиб Даймлер, построивший в 1885 г. мотоцикл с бензиновым двигателем, и Карл Бенц, построивший в  1886г. трехколесный бензиновый автомобиль.

•      Основной принцип работы бензинового двигателя – горение  бензина в камере сгорания двигателя путем его поджога искрой от электрического источника.

Топливо – бензин. Производится из нефти. В конце 19 века в основном получался как побочный продукт осветительного керосина

Принцип работы бензинового ДВС

•      В большинстве случаев бензиновые двигатели являются четырехтактными, рабочий цикл которых состоит из четырех тактов:

•      впуска;

•      сжатия;

•      рабочего хода;

•      выпуска

•      Более подробно о каждом из 4-х тактов.

•      Впуск

•      Поршневое движение начинается с одной точки (нижней или верхней), при этом открывается клапан впуска и происходит подача топлива в камеру сгорания. После того как поршень останавливается в противоположной крайней точке, все впускные клапаны закрываются.

•      Сжатие

•      На данном такте поршень возвращается на исходную точку, сжимая поступившую топливную смесь, увеличивая ее температуру нагрева. После того как поршень достигает крайней точки, происходит воспламенение сжатой топливной смеси свечой зажигания.

•      Рабочий ход

•      При сгорании топливная смесь образует газы, при расширении которых происходит выталкивание поршня. Все клапаны во время рабочего хода остаются полностью закрытыми.

•      Выпуск

•      В то время как коленвал продолжает осуществлять вращательные движения, поршень движется в верхнюю крайнюю точку. Вместе с ним открывается клапан выпуска, при котором поршень выталкивает газы в газораспределительную систему. После завершения такта все выпускные клапаны закрываются.

•      Весь рабочий процесс носит цикличный характер, поэтому после завершения одного такта, начинается следующий такт.

Основные преимущества и недостатки бензиновых двигателей

•      Недостатки:

        - очень низкий КПД 

       -  сложность конструкции

       -  большое потребление топлива и, как следствие, загрязнение окружающей среды

•      Преимущества:

        - низкий уровень шума и вибраций;
   - большая  мощность;

        - большая распространенность в мире  

Дизельный двигатель

•      В 1890 году Рудольф Дизель развил теорию «экономичного термического двигателя», который благодаря сильному сжатию в цилиндрах значительно улучшает свою эффективность. Он получил патент на свой двигатель 23 февраля 1893 года.

•      Основной принцип работы дизельного двигателя – сильное  сжатие топлива и его последующее самовозгорание.

Топливо – дизель, получаемое также из нефти.

Основные преимущества и недостатки дизельных двигателей

•      Недостатки:

      - больший шум и вибрация

      - плохой пуск на морозе

      - большая масса
- требует более частого обслуживания

•      Преимущества:

     -экономичность, расход топлива при том же объеме и мощности меньше на 15-25%;
- меньшая стоимость топлива;
- хорошая тяга на низких оборотах, дизельный двигатель удобен для джипов и грузовиков особенно на бездорожье;
- простота двигателя - отсутствие свечей зажигания, проводов.

Вывод

•      Основной недостаток бензиновых и дизельных двигателей – использование нефтепродуктов в качестве топлива и, как следствие, большой вред для окружающей среды. 

Новые виды двигателей

Газовый двигатель                                                  Гибридный двигатель

Двигатель на биотопливе                                       Двигатель на метаноле           

Двигатели работающие на природном газе

•      Это фактически бензиновый двигатель, только вместо топлива используется природный газ.

Преимущества: газ дешевле дизельного топлива и бензина, запасов газа на планете больше, чем запасов нефти, газ более экологичен (не содержит в выхлопе свинца и серы, практически полностью сгорает в двигателе)

Недостатки: требуется внимательное отношение к газобаллонной аппаратуре из-за возможности утечки и последующего взрыва

Гибридный двигатель

•      Комбинация дизельного или бензинового двигателя с электродвигателями, то есть в автомобиле одновременно установлены  один двигатель внутреннего сгорания и один или несколько электрических двигателей.

•      Компьютерная система следит за включением и выключением всех двигателей для оптимальной работы автомобиля, при торможении происходит зарядка батарей электродвигателя.

Преимущества: высокий КПД, экономия топлива.

Недостатки:  сложность двигателя и его дороговизна.

Биотопливные двигатели

•      Биотопливные двигатели – это те же бензиновые или дизельные двигатели, в качестве топлива используется 10-20% добавки биоэтанола (биоэтанол получается из отходов лесопереработки или растениеводства) и биодизельное топливо, (дизельное топливо смешанное с растительными маслами и продуктами их переработки) Преимущества: экономия нефтепродуктов, экологичность

Метанол

•      Метанол - древесный спирт, очень перспективный вид топлива. Почему? Во первых потому что лес является возобновляемым природным ресурсом и во-вторых метанол сгорает «чище», образуя главным образом диоксид углерода и воду, а диоксида углерода в выхлопе более чем в 5 раз меньше по сравнению с бензиновыми двигателями.

•      Преимущества: экологичность  (в выхлопах нет твердых веществ и сажи), экономичность,  лучше характеристики мощности и КПД, двигатели более компактные и легкие.

Недостаток: дороговизна топлива.

Водородные двигатели

•      Использование водорода в качестве основного вида топлива может коренным образом изменить всю будущую техническую цивилизацию. Важнейшая проблема современности – охрана окружающей среды от загрязнения – будет практически решена. Характеристики водорода как моторного топлива уникальны: высокая теплота сгорания; хорошая воспламеняемость; безвредность отработанных газов; высокая скорость сгорания .

•      Недостатки: взрывоопасность , дороговизна и емкость баков для его хранения.  

•     

Выводы

•      Человечество вплотную подошло к решению задачи экологичного, экономичного и не потребляющего нефтепродукты двигателя с высоким КПД.  И в ближайшие годы стоит ожидать появление мощных автомобилей работающих на альтернативном и безопасном для природы и человека топливе.