Внеклассное мероприятие по физике

          УЧИТЕЛЬ ФИЗИКИ МБОУ»СОШ № 21»

ЯНКИНА ЕЛЕНА ИВАНОВНА

ИГРА-интервью

«НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ДЕЙСТВИЯ ТЕПЛОВЫХ ПОРШНЕВЫХ
                     ДВИГАТЕЛЕЙ »

Оборудование: фильм «Тепловые двигатели», таблицы о работе ДВС по тактам и о рабочих циклах карбюраторного и дизельного двигателей, фотографии разных двигателей и транспортных средств, где они используются, модель ДВС.

 Ход мероприятия:

Вступление.

Основная часть.

Итог.

1. Вступление.

Учитель: Дорогие ребята! Вы все хорошо знаете, какая тесная связь существует между физикой и техникой. Поэтому цель сегодняшнего мероприятия – рассмотреть, с научной точки зрения, работу тепловых поршневых двигателей и их КПД. Сегодняшнее мероприятие мы проведем в форме интервью, и поможет мне в этом ведущий - корреспондент газеты.

^ 2. Основная часть.

(Выходит ведущий)

Ведущий: Товарищи! Год назад наше строительное объединение «Бетон » совместно с фирмой «Гарант» из Симферополч  сдало в эксплуатацию в нашем городе завод по производству двигателей внутреннего сгорания и дизелей. И вот корреспондент газеты «Иностранный вестник  »  решил взять интервью у представителей этого завода через 12 месяцев после его пуска.

 Мы находимся в актовом зале этого завода. Здесь присутствуют: директор завода, главный инженер, заместитель главного инженера, химик – технолог, главный конструктор, конструктор КБ, эколог, историк из заводского музея, заведующий отделом перспективных разработок, представитель областного управления автотранспортом, главный механик автохозяйства, корреспондент газеты , фотокорреспондент этой же газеты.

 Итак, начинаем работу!

Иностранный корреспондент: Газету, которую я представляю, интересует принцип работы поршневых тепловых двигателей и перспективы вашего завода. Но вначале я хотел бы взять интервью у историка.

(Историк приподнимается со своего места и кивает. Корреспондент обращается к нему).

 Господин Чижов! Не могли бы вы дать маленькую историческую справку: где и когда появились первые автомобили с двигателем внутреннего сгорания?

Историк: Двигатель внутреннего сгорания изобретен сравнительно недавно. Первый ДВС построил француз Этьенн Ленуар; это было в 1860г. Вскоре еще 416 изобретений претендовали на патент, однако его выдали почти одновременно в 1885 – 1886 г.г. немецким механикам Готлибу Даймлеру и Карлу Бенцу, которые изобрели бензиновые двигатели внутреннего сгорания; они –то и стали применяться в первых автомобилях. Интересно, что при жизни изобретатели так и не познакомились, хотя жили недалеко друг от друга и работали над одной проблемой, но созданным ими фирмам суждено было в 20 – х годах 20 столетия слиться в известную ныне всем автомобильную компанию Даймлер – Бенц. В нашем музее есть фотографии этих изобретателей. Вот эти два человека (демонстрируются фото). А вот их первые автомобили (демонстрируются фото).

Корр.: Господин историк. А кто  сконструировал первый тепловой двигатель? Известно ли это?

Историк: Да. В России проект бензинового двигателя появился в 1879г. Создал его капитан морского флота О.С.Костович (КПД двигателя был около 20 – 22%).

Корр.: Благодарю Вас. Мне бы хотелось теперь взять интервью у главного инженера завода. (Тот приподнимается) Не могли бы вы объяснить принцип работы ДВС, выпускаемого на вашем заводе?

Главный инженер: Мы производим четырехтактный двигатель внутреннего сгорания. Один рабочий цикл двигателя включает в себя четыре хода поршня, или, как говорят, четыре такта (по самодельной таблице показывает).

Корр.: Понятно.

Гл. инженер: У нас есть фильм, который поможет вам лучше представить работу нашего двигателя. (Включает компьютер, инженер комментирует кадры). Рабочий цикл можно представить в виде диаграммы.

Корр.: Благодарю вас, господин главный инженер. Все стало понятно, особенно мне помогла диаграмма.

 Сейчас в мире проблема с топливом. Его надо экономить. Как решается эта проблема для вашего двигателя?

Гл. инженер: Экономичность ДВС зависит от степени сжатия рабочей смеси в цилиндре перед ее воспламенением: чем выше сжатие, тем больше КПД. Однако в карбюраторных ДВС горючую смесь можно сжимать только до определенного предела. Так как сжатие сопровождается сильным нагреванием, например, при давлении выше 610 Па температура смеси достигает 380 – 400˚С, при такой температуре нефть, керосин и бензин легко самовоспламеняются: происходит взрыв, который нарушает работу двигателя и даже может вывести его из строя.

Корр.: Благодарю вас. Позвольте мне задать несколько вопросов заместителю главного инженера. Не ведете ли вы работу по созданию бездетанационного двигателя?

Заместитель гл. инженера: Нет, не ведем. Такие бездетанационные двигатели уже созданы. Бездетонационное сгорание топлива удачно осуществил немецкий инженер Рудольф Дизель в своем двигателе – дизеле, изобретенном в 1897г. В дизеле сжатию до 1,5· 10 – 3,5· 10 Па подвергается не горючая смесь, а воздух, причем его температура поднимается до 500 – 700˚С, т.е. до значения, достаточного для самовоспламенения любого жидкого горючего: нефти, мазута и т.д. Поэтому в дизеле нет специальных приспособлений для зажигания горючей смеси – запальной свечи, источника тока и др.

Корр.: Простите, господин, а как подается топливо?

Зам. гл. инженера: Топливо – горючая жидкая смесь из нефти, солярки с помощью форсунки впрыскивается внутрь цилиндра дизеля и распыляется там, смешиваясь с раскаленным воздухом. По мере поступления оно самовоспламеняется, постепенно сгорая. Образующиеся продукты сгорания расширяются и движут поршень.

Корр.: А что можно сказать о КПД дизеля?

Зам. гл. инженера: Так как рабочее тело в цилиндре дизеля сжимается до более высокого давления, чем в ДВС, то и КПД дизеля оказывается выше.

Корр.: А рабочий цикл четырехтактного дизеля такой же, как у ДВС?

Зам. гл. инженера: Не совсем. У него есть свои особенности. Сейчас их объясню. Позвольте мне сделать это с помощью диаграммы в компьютере (Студент – практикант демонстрирует). Вам ясно?

Корр.: И да, и нет. Я понял, что у ДВС и у дизеля четыре такта: всасывание (впуск), сжатие, рабочий ход и выпуск (выхлоп). А диаграммы у них разные. Отчего? Что дает это отличие? Я не совсем поняла.

Гл. инженер: Позвольте мне сказать пару слов. У всех типов четырехтактных двигателей названия тактов одинаковые, но происходящие физически процессы разные. Обратите внимание на процесс увеличения давления. В результате давление в цилиндре дизеля почти на порядок выше, чем у ДВС.

Корр.: Благодарю вас, главный инженер. Разрешите мне задать вопрос конструктору КБ: от чего зависит мощность двигателя внутреннего сгорания?

Конструктор КБ: Я работаю недавно в КБ завода. Но постараюсь ответить. Мощность ДВС определяют по формуле:

 N= pVn/ 60τ,

где р- давление газов, V- объем цилиндра, n- частота вращения коленчатого вала, τ- число тактов в работе двигателя за один цикл. Эта формула показывает, что увеличивая давление p в цилиндре, число оборотов n вала двигателя – эти величины стоят в числителе, можно увеличить мощность двигателя. Учитывая знаменатель τ, можно сказать: чем больше рабочих тактов в цикле совершает двигатель, тем меньше его мощность. Значит, увеличить мощность можно, перейдя от четырехтактного цикла к двухтактному.

Корр. (обращается к директору завода): Выпускает ваш завод двухтактные двигатели?

Директор: Пока нет. Мы только приступаем к их освоению.

Корр.: Удобен ли двухтактный двигатель?

Конструктор КБ: Да. Двухтактный ДВС имеет большую мощность, приходящуюся на единицу объема цилиндра, меньшие размеры, он легче и его ход более равномерен. Он широко применяется на мотоциклах.

Корр.: Позволю взять на себя смелость задать вам один вопрос. Не могли бы вы сравнить достоинства карбюраторных ДВС и дизелей?

Конструктор: Карбюраторные ДВС компактны, имеют сравнительно малый вес, используются там, где требуется небольшая мощность и легкость силовой установки.

 А преимущества дизелей таковы: простое устройство и обслуживание, больший КПД, работают на дешевом топливе; применяются в основном там, где требуется достаточно большая мощность.

Корр.: Благодарю вас господин конструктор. А теперь хочу задать вопрос химику – технологу. Не могли бы Вы мне сказать, какие виды топлива используются для ваших двигателей? Это не секрет?

Химик – технолог: Нет. Это не секрет. Основные источники энергии – бензины разных марок и дизельное топливо. Бензины представляют собой сложные смеси легких углеводородов и применяются главным образом в двигателях с искровым зажиганием. Они – смесь продуктов прямой перегонки нефти, выкипающих при температурах не выше 205˚С; к числу их главных характеристик относятся, в частности, испаряемость, зависящая от фракционного состава, и давление насыщенных паров. Дизельное топливо – это средние и тяжелые фракции перегонки нефти; образуются из нее путем выкипания при температуре 270 – 400˚С. Используется в двигателях с воспламенением от сжатия. Одна из важнейших его характеристик – температура самовоспламенения. Топливом для дизелей, работающих под большой нагрузкой, но в стационарных условиях, является смесь из мазутов, разбавленных керосино – газойлевыми фракциями.

Корр.: Благодарю вас. К сожалению, каким бы ни было топливо, выброс отработанных газов идет в окружающую среду. Я прошу эколога рассказать о проблемах экологии, возникающих в связи с использованием двигателей внутреннего сгорания.

Эколог: Как сказал нам историк, ДВС уже более ста лет. Он был изобретен, чтобы облегчить жизнь людей, но постепенно это гениальное творение конца прошлого века превратилось в зло, источник опасности. ДВС стоят на автомобилях, а автомобили «отнимают» у человека землю; в настоящее время около 0,02% суши занято под автостоянки и дороги. Шоферы мало двигаются, что приводит к сердечно – сосудистым профессиональным заболеваниям. Но главное – автомобиль загрязняет окружающую среду вследствие выброса газов в атмосферу. Гибнут цветы, деревья, над городами, где много машин, часто образуется смог - ядовитый нерассеивающийся туман и в некоторых странах регулировщики движения вынуждены работать в противогазах. Очень вреден шум, создаваемый автотранспортом, который составляет 80% технических шумов; он влияет на нервную систему человека, вызывая психические заболевания, сокращает на 8 – 12 лет жизнь жителей больших городов. После алкоголя и табака шум стал третьим смертельным врагом людей.

Корр.: Простите господа… Если ДВС так вредны, о зачем ваш завод их выпускает? Как избежать вредных следствий их работы? Стремитесь ли Вы к этому?

Эколог: Над этими проблемами работают сейчас специалисты всего мира. И мы учитываем их рекомендации. Так, в арсенале средства борьбы с шумом есть такие: точная регулировка карбюраторов, совершенствование глушителей, переход на использование природного газового топлива, запасов которого значительно больше, чем нефти. Сейчас во всем мире идет интенсивный поиск видов топлива для ДВС, полученных не на основе нефти. Одна из технических находок – этиловый спирт; продукты его сгорания в меньшей мере загрязняют окружающую среду. Двигатели, работающие на спирте, успешно применяются в Бразилии на автомашинах.

Корр.: Какие меры по охране природы предприняты у нас и конкретны на вашем заводе?

Эколог: В стране введена обязательная государственная экологическая экспертиза проектов всех новых крупных промышленных и сельскохозяйственных объектов. Проект нашего завода прошел эту экспертизу. Повышается ответственность за экологически грамотную эксплуатацию предприятий. Но, к сожалению, ремонт выходящих из строя очистных сооружений связан с большими затратами и поэтому починку стараются избегать, проводя таким лжеспособом экономию. Экологически чистой нашу продукцию – ДВС – пока назвать нельзя.

Корр.: Раз так, скажите, что предпринимает мэрия вашего города?

Ведущий: Попросим ответить сотрудника областного отдела транспортных перевозок. Будьте добры, товарищ представитель мэрии…

Представитель мэрии: По сводкам областного управления автотранспорта в нашей области а настоящее время около 1,5 тыс.автомобилей и автобусов оснащены двигателями, которые работают на газовом топливе – сжатом газе, более экологически безвредном. Это автобусы марок ЛИАЗ, ЛАЗ и «Икарус». Вы их легко узнаете, увидев газовые баллоны на их крыше. Есть с такими двигателями и грузовые автомобили марки КАМАЗ; они перевозят в соседнюю область песок, а обратно возвращаются с щебенкой. Следом за ними идут автомобили – заправщики; они пополняют газовые баллоны КАМАЗов.

Корр.: Господин директор завода, эти новые модификации двигателей для транспорта делают на вашем заводе?

Директор завода: Частично. Более полную информацию даст главный механик.

^ Главный механик: Новые машины, которые поступают в городской автопарк, имеют и новые, приспособленные для газового топлива двигатели. Старые же автомобили мы по решению городских властей переоборудуем сами, оснащая их «газовыми» двигателями. Это делают механики в автохозяйствах и таксопарках.

Корр.: А как узнать эти модифицированные автомобили?

Главный механик: Если автомобиль работает на сжиженном газе, то его баллоны крепятся на раме. У машин – такси баллоны с газом находятся в багажнике.

Корр.: Благодарю Вас. Я хотел бы вновь обратиться к химику – технологу и задать ему еще один вопрос о топливе : каковы преимущества и недостатки газа как топлива?

^ Химик – технолог: Отвечу с удовольствием. По сравнению с бензином использование природного газа продлевает срок службы на 40% у свечей зажигания и в 4 раза моторных масел; кроме того в 2 – 10 раз уменьшаются выбросы в атмосферу вредных веществ; это преимущества. Недостатки: необходимость сжатия газа до давления 200 – 250 атм, что требует, во – первых, дополнительной установки – компрессора, а во – вторых, хранения на борту автомобиля нескольких стальных баллонов со сжатым газом, а это снижает грузоподъемность машины на 15 – 20%.

Корр.: Весьма признателен вам. Позвольте теперь обратиться к вам, начальник отдела перспективных разработок. Каковы планы улучшения конструкции двигателей внутреннего сгорания?

Нач. отдела: Мы, как и моторостроители всего мира, сосредоточили свое внимание на теоретической разработке четырех основных проблем: увеличение мощности, надежности, экономичности и экологической чистоты двигателей. В отношении мощностных характеристик уже достигнуты определенные успехи. Чтобы получить большую мощность, необходимо ввести в цилиндр двигателя больше рабочей смеси. Для этого есть три пути. Первый: мы применили турбонадув с помощью газовой турбины; горючую смесь подают в цилиндры под большим давлением. Второй путь: увеличение поперечного сечения впускных клапанов; в этом случае по ним может поступать в единицу времени возросшее количество смеси; для этого можно, например, поставить до пяти клапанов, что позволит на 20% увеличить подачу в цилиндр горючей смеси. Третий путь: точное управление с помощью бортовой ЭВМ зажиганием смеси, дозировкой подачи топлива и регулировкой давления в турбонадуве. Система этих мер позволяет при рабочем объеме цилиндра 1,5 л достигнуть мощности двигателя 800 кВт.

Корр.: И такие машины ваш завод уже выпускает?

Нач. отдела перспект. разработок: Нет. Наш отдел только разрабатывает теоретически эти варианты. Опытные экземпляры подобных двигателей имеются в других странах, например в Японии.

 Должен заметить, что громадный скачок в увеличении мощности двигателей влечет за собой массу проблем: увеличение расхода топлива, снижение надежности, связанное с усложнением конструкции и повышением термо - и вибронагрузок.

Корр.: Какие же пути видите вы для решения этих проблем, господин нач. отдела перспект. разработок?

Нач. отд. персп. разработок: Многие из них могут быть решены с помощью керамики и композиционных материалов, путем поиска специалистами по топливной химии новых менее дорогих составов топлив при сохранении их остальных полезных свойств. Для придания экологической чистоты двигателю внутреннего сгорания мы разрабатываем специальные нейтрализаторы вредных веществ, выделяемых при сгорании топлива

Корр.: А что ответят мне другие специалисты по поводу реальных для практики возможностей прогресса дизелестроения? Радужны ли ваши прогнозы?

Химик – технолог: На данном этапе экономического развития нашей страны я не обольщаюсь перспективой. У нас не хватает компонентов для нейтрализации вредных отработанных веществ при выбросах из двигателей.

Главный конструктор: Выставка автомобилей в Японии недавно показала, что мы далеко отстали от многих стран по выпуску автомобилей, особенно грузоподъемных. Это связано, в частности, с отсутствием у нас нужных двигателей. Но я не теряю надежды на практический этап научно – технического прогресса в области нашего дизелестроения.

Корр.: Последний вопрос я хочу задать директору завода. Товарищ директор, не могли бы вы несколько слов сказать о том, кому нужна ваша продукция?

Директор: Наши ДВС получили широкое применение: они используются в энергетике – на маломощных теплоэлектростанциях, на сухопутном автомобильном транспорте, их ставят на мотоциклы, корабли…

Корр.: Раз предприятия нуждаются в вашей продукции, то какие требования они предъявляют к ней – двигателям вашего завода? Учитываете ли вы пожелания покупателей?

^ Директор завода: Требования самые разнообразные: большой срок службы без ремонта, экономный расход горючего и масел, небольшая токсичность отработанных газов, уменьшенные габариты, пониженный уровень создаваемого шума, небольшая стоимость и др. Пожелания заказчиков учитывать стараемся, хотя сейчас это делать сложно. Но мы работаем на перспективу. Без этого нельзя.

Корр.: Благодарю вас. Я очень признателен администрации завода, всем специалистам и лично господину директору за то, что при вашей загруженности все вы уделили время моей газете. Я привезу к себе домой интересные сведения о вашем заводе, его продукции и новых технических разработках. Ваши ответы позволили мне составить полную картину, ибо охватывали, как теоретические, так и настоящее, будущее.

Ведущий: Наше коллективное интервью газете  закончено. До свидания.

Корр.: Еще раз благодарю вас. Спа- си – бо!

 (Администрация завода, специалисты и корреспонденты уходят.)