Размещено на http://www.allbest.ru/

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему: "Двигатель внутреннего сгорания"

Содержание

1. Экологические проблемы ДВС и пути их решения

2. Как влияют тепловые двигатели на окружающую среду

3. Экологические проблемы использования углеводородного топлива

4. Современные методы улучшения качества дизельных топлив

5. Проблема выбросов автотранспортом в городских условиях и аспекты решения данной проблемы

Заключение

1. Экологические проблемы ДВС и пути их решения

История ДВС

В 1860 Г француз Э. Ленуар построил устройство, в котором горючее сжигалось внутри самого устройства. Модель была несовершенная, КПД не превышал 3 %.

Спустя 18 лет немецкий изобретатель Отто создал двигатель внутреннего сгорания, который работал по четырёхтактной схеме: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск отработанных газов. Именно модификации этого двигателя и получили наибольшее распространение.

Первый автомобиль с бензиновым двигателем построили в 1886 году под руководством немецкого инженера Даймлера. Большая роль в развитии автомобилестроения принадлежит Генри Форду, который в начале 20 века начал выпуск автомобилей с конвейера. В России первые автомобили начали строить в начале 20 века. двигатель дизель экология

Применение тепловых двигателей чрезвычайно разнообразно. Они приводят в движение самолёты, ракеты, тепловозы, паровозы, наземный и водный транспорт. В настоящее время наибольшее распространение имеют двигатели внутреннего сгорания. Остановимся на них.

В ДВС топливо сгорает прямо в цилиндре, внутри самого двигателя. Поэтому он и называется двигателем внутреннего сгорания. Работают они на жидком топливе или горючем газе.

Двигатель состоит из цилиндра, в котором перемещается поршень, соединённый при помощи шатуна с коленчатым валом (проследим по модели ДВС).

В верхней части цилиндра имеется два клапана, которые при работе двигателя автоматически открываются и закрываются в нужные моменты. Через первый клапан (впускной) поступает горючая смесь, которая воспламеняется с помощью свечи, а через второй клапан (выпускной) выпускаются отработанные газы.

В цилиндре периодически происходит сгорание горючей смеси, состоящей из паров бензина и воздуха (температура достигает 16000 - 18000С). Давление на поршень резко возрастает. Расширяясь, газы толкают поршень, а вместе с ним и коленчатый вал, совершая при этом механическую работу. При этом газы охлаждаются, так как часть их внутренней энергии превращается в механическую.

Крайние положения поршня в цилиндре называют мёртвыми точками. Расстояние, проходимое поршнем от одной мёртвой точки до другой, называют ходом поршня. Ход поршня называют ещё тактом. Поэтому двигатель называют четырёхтактным.

Такты двигателя внутреннего сгорания: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск.

Не во всех двигателях есть свеча для воспламенения смеси.

Двигатель Дизеля

Немецкий инженер Р. Дизель в 1897 г. изобрёл двигатель, в котором сжимали воздух и в момент максимального сжатия в камеру сгорания при помощи форсунки делали впрыск топлива. Далее раскалённые газы перемещали поршень, и происходило преобразование внутренней энергии в механическую. В двигателе внутреннего сгорания есть карбюратор, при помощи которого образуется горючая смесь (смесь бензина с воздухом). В двигателе Дизеля нет карбюратора.

КПД дизельных двигателей достигает 35 - 44 %, а у двигателя внутреннего сгорания КПД не превышает 25 - 32 %. Дизельные двигатели нашли широкое применение в тракторах, большегрузных машинах, на кораблях, передвижных электростанциях.

2. Как влияют тепловые двигатели на окружающую среду

При работе тепловых двигателей для охлаждения используется окружающая среда (атмосферный воздух и вода открытых водоемов), в результате чего происходит повышение температуры окружающей среды, называемое «тепловым загрязнением». Этот эффект усиливается тем, что при сгорании огромного количества топлива повышается концентрация углекислого газа в земной атмосфере. А при большой концентрации углекислого газа атмосфера плохо пропускает тепловое излучение нагретой Солнцем поверхности Земли, что приводит к «парниковому эффекту».

В результате описанных процессов, средняя температура на Земле в течение последних десятилетий неуклонно повышается. Это грозит глобальным потеплением с нежелательными последствиями, к числу которых относятся таяние ледников и подъем уровня мирового океана.

Кроме того, при сжигании топлива в тепловых двигателях расходуется атмосферный кислород (в наиболее развитых странах тепловые двигатели уже сегодня потребляют больше кислорода, чем вырабатывается всеми растениями, растущими в этих странах) и образуется много вредных веществ, загрязняющих атмосферу.

Тепловые машины не только сжигают кислород, но и выбрасывают в атмосферу углекислый газ, угарный газ, различные виды сернистых соединений, а также соединения тяжелых металлов. Сгорание топлива в топках промышленных предприятий и тепловых электростанций почти никогда не бывает полным, поэтому происходит загрязнение воздуха золой, хлопьями сажи. Во всем мире обычные энергетические установки выбрасывают в атмосферу ежегодно более 200 млн. т золы и более 60 млн. т оксида серы.

Кроме промышленности, воздух загрязняют и различные виды транспорта, прежде всего автомобильный. Жители больших городов задыхаются от выхлопных газов автомобильных двигателей.

Такие виды топлива, как нефть, уголь, газ являются невосполнимыми источниками энергии. В ближайшие 45 - 70 лет человечество столкнётся с проблемой нехватки традиционных видов топлива.

Во всех странах мира с развитой промышленностью ведутся работы, направленные на снижение и ликвидацию последствий загрязнения воздуха. Основные усилия направлены на предупреждение выбросов загрязнений в атмосферу. На всех действующих и новых теплоцентралях и тепловых электростанциях устанавливают газоочистное и пылеулавливающее оборудование. Предпринимаются меры по рациональному размещению тепловых электростанций.

Интенсивные работы ведутся по снижению загрязнения воздуха выхлопными газами автомобильных двигателей. Наиболее перспективными считаются электромобили и автомобили с двигателями, работающими на водороде. Продуктом сгорания в водородном двигателе является обычная вода.

Чтобы уменьшить негативные последствия работы тепловых двигателей, действуют в двух направлениях: с одной стороны, совершенствуют эти двигатели, повышая их КПД и уменьшая выброс вредных веществ, с другой стороны -- используют энергосберегающие технологии.

В странах, где эти технологии разрабатываются и применяются, потребление энергии на производство той же самой продукции в несколько раз ниже, чем в странах, которые только сейчас начинают уделять внимание энергосберегающим технологиям.

На сегодняшний день одной из актуальных экологических проблем является проблема автотранспорта, т. к. двигатели внутреннего сгорания, работающие на продуктах нефтепереработки, оказывают наибольшее антропогенное воздействие на окружающую среду. Ежегодно в атмосферу Земли выбрасывается 250 млн. т. мелкодисперсных аэрозолей. Сейчас в биосфере содержится около 3 млн. химических соединений, никогда ранее не встречавшихся в природе.

Проблема экологической безопасности при эксплуатации двигателей внутреннего сгорания требует разработки экологически чистых моторных топлив.

3. Экологические проблемы использования углеводородного топлива

Выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания являются источником таких органических токсикантов, как фенантрен, антрацен, флуорантен, пирен, хризен, дибензпирилен и др., обладающие сильной канцерогенной активностью, а так же раздражающие кожу и слизистые оболочки дыхательных путей.

Анализ механизмов химических реакций проходящих внутри двигателя при сгорании топлива показал, что основной причиной образования органических токсикантов является неполное сгорание топлива:

- в процессе сгорания топлива металлы, из которых состоит сплав двигателя, являются катализаторами многих химических процессов, приводящих к образованию конденсирующих ароматических соединений и их производных;

- образование сажи при неполном сгорании топлива способствует ароматизации углеводородов;

- химический состав бензина существенно определяет концентрацию образующихся конденсированных соединений.

Наибольшую опасность представляет бензин каталитического риформинга, по причине высокой непредельности входящих в его состав углеводородов и высокого содержания ароматических углеводородов.

Меньшую опасность представляет бензин каталитического крекинга, хотя и имеющий меньшую теплоту сгорания.

Уменьшить выбросы органических токсикантов, образующихся при сгорании углеводородного топлива, можно несколькими способами:

- увеличить поступление кислорода в камеру сгорания топлива, что увеличит процент сгорания органических веществ;

- подавить каталитическую активность никеля и железа, входящих в состав сплава конструкции камеры сгорания, введя небольшое количество металлического свинца, являющегося каталитическим ядом для этих металлов;

- использовать топливо, в составе которого преобладают предельные углеводороды, природный газ, петролейный эфир, синтетический бензин.

4. Современные методы улучшения качества дизельных топлив

Получение дизельных топлив, соответствующих современным требованиям, возможно путем повышения качества нефтепереработки и введения пакета присадок различного назначения.

Основными достоинствами дизельных двигателей по сравнению с другими двигателями внутреннего сгорания являются экономичность и сравнительная дешевизна топлива, поэтому их применение постоянно расширяется. Растущая во всем мире, в том числе и в России, дизелизация легкового и грузового автотранспорта требует неотложного решения вопросов повышения качества топлив, поскольку выхлопные газы ДВС стали основным источником загрязнения атмосферного воздуха.

Правительствами индустриально развитых стран и рядом международных организаций были проведены фундаментальные исследования по выяснению влияния наиболее значимых факторов качества дизельных топлив (ДТ) на эксплуатационные характеристики двигателей и загрязнение окружающей среды продуктами сгорания. Эти работы завершились принятием новых стандартов на дизельное топливо. В частности, Всемирной топливной хартией и европейским стандартом EN 590, которые в отличие от действующего российского ГОСТа 305-82 жестко ограничивают содержание в топливе серы, ароматических и полиароматических углеводородов, вводится новый показатель "смазывающая способность топлива" и устанавливается значительно более высокий уровень цетанового числа.

Автомобили - главная причина появления смога в крупных городах. Доля выхлопных газов достигает 4/5 от общего объема вредных выбросов в атмосферу.

Однако сделать автомобиль «зеленым» не так-то просто. Возьмем хотя бы двигатель внутреннего сгорания -- основной источник автомобильно-экологических проблем. Похоже, что, несмотря на все попытки, найти ему равнозначную замену в ближайшем будущем так и не удастся. А это означает, что для создания «дружелюбного» автомобиля нужно создать, прежде всего «дружелюбный» ДВС. Судя по тому, что можно было увидеть во Франкфурте, ведущие автопроизводители мира работают -- и не без успеха -- именно в этом направлении. Современная техника позволяет сделать автомобильные моторы более мощными, экономичными и экологичными. Это касается как бензиновых двигателей, так и дизелей. Примером тому могут служить разработанные специалистами Peugeot-Citroen дизели семейства HDi и бензиновые моторы серии GDI от Mitsubishi, значительно снижающие потребление топлива и улучшающие экологические параметры автомобиля.

Некоторые производители пошли еще дальше, заменив жидкое топливо сжиженным или сжатым газом. BMW, например, и ряд других компаний выпускают такие машины уже серийно. Но, во-первых, газ тоже относится к невосполнимым ресурсам, а, во-вторых, полностью избежать загрязнения окружающей среды здесь также не удается, хотя, конечно, газовый двигатель более «чистый», чем бензиновый или дизельный. Как видим, первые шаги к обузданию «хищника» уже сделаны. Однако как волка ни корми, он все равно в лес смотрит, и каждому ясно, что вообще отказаться от использования топлива природного происхождения в ДВС или сделать его выхлопы абсолютно безвредными пока практически невозможно. А раз так, то приходится признать, что создание «дружелюбного» ДВС -- отнюдь не решение проблемы в целом, а только отсрочка, более или менее значительная.

5. Проблема выбросов автотранспортом в городских условиях и аспекты решения данной проблемы

Состояние экологии одна из важнейших проблем современности. В результате своей жизнедеятельности человечество постоянно нарушает экологический баланс, происходит это при добыче полезных ископаемых, при производстве материальных и энергетических средств. Усугубляет ситуацию и то, что значительная доля загрязняющих веществ и СО выбрасывается в атмосферу в процессе эксплуатации двигателями внутреннего сгорания, применяемыми во всех сферах нашей жизни.

В странах ЕЭС на долю автотранспорта приходится до 70% выбросов оксида углерода, до 50 % - оксида азота, до 45% - углеводородов и до 90% - свинца, и это при жестких экологических требованиях к транспорту и применяемым топливам (Евро 1-4).

В России на долю автотранспорта приходится больше половины всех вредных выбросов в окружающую среду, которые в крупных городах - главный источник загрязнения атмосферы. В отработавших газах двигателей содержится около 280 компонентов. В среднем при пробеге 15 тыс. км за год каждый автомобиль сжигает 2 тонны топлива и около 20-30 тонн воздуха, в том числе 4,5 тонны кислорода. При этом автомобиль выбрасывает в атмосферу (кг/т): угарного газа - 700, диоксида азота - 40, несгоревших углеводородов - 230 и твердых веществ - 2-5. Кроме того, из-за применения этилированного бензина выбрасывается много весьма опасных для здоровья соединений свинца, в странах ЕЭС для решения этой проблемы в бензины с высокооктановым числом добавляют другие антидетонаторы.

Усугубляется положение в нашей стране и тем, что львиная доля транспорта эксплуатируемого предприятиями имеет предельный физический износ. По ряду объективных факторов не происходит морального обновления подвижного состава. Связанно это, прежде всего с экономическим положением предприятий, тем, что отечественный автопаром выпускает устаревшие модели, не блещущие экономичностью, экологической и санитарной безопасностью, а иностранные марки не доступны из-за цены.

Заключение

Сегодня крупные российские города, особенно такие мегаполисы, как Москва, С-Петербург, Екатеринбург и другие задыхаются в смраде выхлопных газов, извергаемого легковым и грузовым автотранспортом. Как решить эту проблему? Радикальные меры - полное запрещение движения машин - приведут к нарушению производственных и культурных связей городов и потому не приемлемы. Один из выходов - создание экологически чистого городского транспорта.

Возможность выхода из тупиковой ситуации путем перевода городского автопарка на электротягу не является решением вопроса, так как общий коэффициент полезного действия (КПД) электромобиля (если считать его с момента получения электрической энергии до факта движения электротранспорта) примерно вдвое ниже, чем КПД современного автомобиля, оборудованного двигателем внутреннего сгорания. Таким образом, для обеспечения возможности движения городского транспорта, базирующегося на электромобилях, придется сжигать вдвое больше органического топлива, чем это требуется для обеспечения возможности движения современного парка автомобилей. На сегодняшний день единственно рациональным путем решения сложившейся проблемы является создание машин с двигателем внутреннего сгорания, работающим в режиме минимально возможных расходов топлива с минимальной токсичностью выхлопных газов. При этом понятное дело, должны сохраняться все необходимые показатели производительности транспортной единицы, будь то легковое такси или тяжелый грузовик.

Для решения экологической проблемы транспорта необходимо создать энергоустановку (ЭУ), включающую двигатель внутреннего сгорания (ДВС) и обеспечивающую возможность работы ДВС в постоянном режиме минимального удельного расхода топлива с минимальной токсичностью выхлопа. Традиционные автомобили со ступенчатой передачей энергии от ЭУ к ведущим колесам проблемы решить принципиально не могут, поскольку регулирование скорости таких транспортных средств осуществляется за счет перевода двигателя внутреннего сгорания на частичные режимы с обязательным уходом из зоны работы с минимальными расходами топлива и минимальной токсичностью выхлопа. Большинство применяемых бесступенчатых передач также радикально проблемы не решают. Наиболее известная в инженерной практике гидромеханическая передача, также как и механическая, обеспечивает регулирование скорости транспортного средства за счет перевода двигателя внутреннего сгорания на частичные режимы с отходом от зоны минимальных расходов топлива и минимальной токсичности. К тому же несколько меньший КПД таких передач ведет к некоторому увеличению расхода топлива в сравнении со ступенчатой механической передачей.

Размещено на Allbest.ru