Индивидуальный проект на тему «Разновидность двигателей на ртутном топливе»

Муниципальное образовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №4» г. Всеволожска

Индивидуальный проект на тему:

«Разновидность двигателей на ртутном топливе»

Руководитель проекта:

Чмутова Людмила Владимировна

Выполнил:

Иванов Степан Андреевич 10«Б» класс

Всеволожск 2018-2019

Содержание

Введение…………………………………………………………………………3

Введение

Актуальность проекта: Большинство людей не знают,  что такое двигатель и как он работает, но при этом без него современный человек не представляет своей жизни, потому что двигатель работает во всех сферах жизни человека. Они приводят в движение самолеты, теплоходы, автомобили, тракторы, тепловозы. Несмотря на то, что двигатели являются весьма несовершенным типом тепловых машин благодаря своей автономности, двигатели очень широко распространены, например на транспорте. В  древности люди приводили в действие простейшие механизмы руками или с помощью животных. Затем они научились использовать силу ветра, плавая на парусных кораблях. Они научились так же использовать ветер для вращения ветряных мельниц, перемалывающих зерно в муку. Позже они стали применять энергию течения воды в реках для вращения водяных колес. Эти колеса перекачивали и поднимали воду или приводили в действие различные механизмы.

История появления  двигателей уходит в далекое прошлое, хотя и двигатель – очень сложный механизм. И функция, выполняемая тепловым расширением в двигателях не так проста, как это кажется на первый взгляд. Да и не существовало бы двигателей  без использования теплового расширения газов.  АКТУАЛЬНОСТЬ ДАБАВИТЬ! КОНКРЕТНОСТИ НЕТ!   

Цель:

Изучить разновидности двигателей, устройство и принцип действия и дать принципиальное назначение ртутного двигателя.

Задачи:

1. Проанализировать литературу по данной теме;

        2. Дать нонятие двигателя;

          3. Дать понятия первичного (ветряное колесо, водяное колесо, гиревой механизм) и вторичного двигателей (электродвигатель, пневмодвигатель, гидродвигатель);

4. Рассказать про типы двигателей внутреннего сгорания (бензиновые силовые агрегаты, дизельные моторы, роторный двигатель, гибридный двигатель);

5. Изучить теорию двигателей внешнего и внутреннего сгорания;

6. Рассмотреть влияние ДВС на окружающую среду;

7. Рассказать про компоновку и технические характеристики ДВС;

8. Принципиальная характеристика ртутного топлива;

9.Ртутный двигатель.

Практическая значимость:

Практическая значимость заключается в изучении двигателей.

Объект, предмет исследования:

Объектом исследования являются макеты различных видов двигателей

Методы исследования:

1.Исследовательский;

2.Наблюдение;

3. Опрос;

4. Собеседование;

5. Тестирование;

6. Фотографирование;

7. Сравнение.

Теоретическая часть

Двигатель  является главной системой в любом транспортном средстве. Этот компонент автомобиля можно сравнивать с сердцем человека, то есть, человек умрет без сердца – так же и автомобиль без двигателя. Двигательная система отвечает за преобразование топливной энергии в механическую энергию, которая впоследствии выполняет полезную работу. Сегодня в качестве энергии может выступать энергия сгорания топлива, электрическая энергия и т.д. Источник энергии всегда находится в автомобили. Он должен пополняться через определенный промежуток времени, чтобы автомобиль мог в итоге передвигаться. Так, механическая энергия передается на ведущие колеса от двигателя. Эта передача обычно осуществляется при помощи трансмиссии.

Исследовав научно-техническую литературу, сеть Интернет и ознакомясь с работами современных инженеров я пришёл к выводу, что все двигаетели делятся на:

1. Бензиновые силовые агрегаты;
2. Дизельные моторы;
3. Роторный двигатель;
4. Гибридный двигатель;
5. Ветряное колесо;
6. Водяное колесо;
7. Гиревой механизм;
8. Электродвигатель;
9. Пневмодвигатель;
10.  Гидродвигатель;
11.  Ртутный двигатель.

1.Бензиновый двигатель-принцип работы бензинового силового агрегата состоит в следующем: небольшой объем топливной смеси поступает в камеру сгорания, там происходит ее воспламенение и взрыв, в результате которого высвобождается определенная энергия. 

Цикл работы бензинового двигателя состоит из следующих этапов:

• Впускной такт. В этот момент начинается движение поршня вниз, происходит открытие впускного клапана. В цилиндр поступает топливовоздушная смесь.      

• Сжатие. Поршень начинает двигаться вверх, тем самым сжимает смесь в цилиндрах, что необходимо для выделения большей энергии при последующем взрыве.

• Рабочий такт. Когда поршень поднимается до верхней мертвой точки в цилиндре, в работу включается свеча зажигания и поджигает топливную смесь. После взрыва поршень движется уже вниз.

• Выпускной такт. После достижения поршнем крайней нижней точки, происходит открытие выпускного клапана, через который продукты сгорания и уходят из камеры.

После выхода продуктов сгорания начинается новый цикл работы ДВС.

Результат работы силового агрегата – получение вращательного движения, которое оптимально подходит для проворота колес машины. Достигается это за счет использования коленчатого вала, который и преобразует линейную энергию во вращение. (рис.1) 

Мало кто знает, что первый бензиновый карбюраторный двигатель появился отнюдь не в Германии, а у нас в России. Изобрёл его Огнеслав Степанович Костович. Огнеслав Костович приступил к разработке двигателя внутреннего сгорания с применением жидкого лёгкого топлива в 1879 году. В 1880 году Костович изготовил уменьшенную модель двигателя с двумя цилиндрами. Успешные испытания дали уверенность в возможности создания более мощного мотора для дирижабля и для подводной лодки, проект которой он вторично представил Морскому ведомству в том же году, а в начале следующего установил двухцилиндровый движок на катер собственной конструкции. К 1883 году двигатель был построен, испытания и доводка продолжались до 1885 года. В результате был создан 80-сильный бензиновый двигатель внутреннего сгорания. Костович впервые применил электрическое зажигание и встречное движение поршней в оппозитно расположенных цилиндрах.

Ди́зельный дви́гатель —поршневой двигатель внутреннего сгорания. Спектр топлива для дизелей весьма широк, сюда включаются все фракции нефтеперегонки от керосина домазута и ряд продуктов природного происхождиния рапсовое масло, фритюрный жир, пальмовое масло имногие другие. Дизель может с определённым успехом работать и на сырой нефти.  

Особенности

Как уже отмечалось, конструкция дизельного двигателя подобна конструкции бензинового двигателя. Однако аналогичные детали у дизеля существенно усилены, чтобы воспринимать более высокие нагрузки — ведь степень сжатия у него намного выше (16-24 единиц против 9-11 у бензинового). Характерная деталь в конструкции дизелей  это поршень. Форма днища поршней у дизелей определяется типом камеры сгорания, поэтому по форме легко определить, какому двигателю принадлежит данный поршень. Днища поршней находятся выше верхней плоскости блока цилиндров, когда поршень находится в верхней точке своего хода. Так как воспламенение рабочей смеси осуществляется от сжатия, в дизелях отсутствует система зажигания, хотя свечи могут применяться и на дизеле. Но это не свечи зажигания, а свечи накаливания, которые предназначены для подогрева воздуха в камере сгорания при холодном пуске двигателя.
Поршни и свечи дизеля.

 Технические и экологические показатели автомобильного дизельного двигателя в первую очередь зависят от типа камеры сгорания и системы впрыскивания топлива. (рис.2) Не одно поколение ученых билось над повышением коэффициента полезного действия машинных двигателей. Но подать идею и обосновать ее теоретически - еще не значит изобрести что-то новое. Именно те люди, которые сумели практически подтвердить то, над чем бились сотни, и могут гордо носить звание "изобретатель". Именно таким практиком и был Рудольф Дизель, который принес в мир двигатель внутреннего сгорания, воспламеняющийся от сжатия воздуха. 

Роторный двигатель  родовое наименование конструкции теплового 

двигателя, за которым стоит целоесемейство близких по конструкции двигателей, объединенное ведущим признаком — типом движения главного рабочего элемента.  

             Преимущества:        

             Преимущества перед обычными бензиновыми двигателями низкий уровень вибраций. За счёт отсутствия преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное, двигатель Ванкеля способен выдерживать гораздо большие обороты, но с меньшими вибрациями, по сравнению с традиционными двигателями. Роторно-поршневые двигатели обладают более высокой мощностью при небольшом объёме камеры сгорания, сама же конструкция двигателя сравнительно мала и содержит меньше деталей. Небольшие размеры улучшают управляемость, облегчают оптимальное расположение трансмиссии и позволяют сделать автомобиль более просторным для водителя и пассажиров.

             Недостатки:

Соединение ротора с выходным валом через эксцентриковый механизм, являясь характерной особенностью РПД Ванкеля, вызывает давление между трущимися поверхностями, что в сочетании с высокой температурой приводит  к дополнительному износу и нагреву двигателя.
В связи с этим возникает повышенное требование к периодической замене масла. При правильной эксплуатации периодически производится капитальный ремонт, включающий в себя замену уплотнителей. Ресурс при правильной эксплуатации достаточно велик, но не заменённое вовремя масло неизбежно приводит к необратимым последствиям, и двигатель выходит из строя.

Наиболее важной проблемой считается состояние уплотнителей. Площадь пятна контакта очень невелика, а перепад давления очень высокий. Следствием этого, неразрешимого для двигателей Ванкеля, противоречия являются высокие утечки между отдельными камерами и, как следствие, падение коэффициента полезного действия и токсичность выхлопа.
Другой особенностью двигателей Ванкеля является его склонность к перегреву. Камера сгорания имеет линзовидную форму, то есть при маленьком объёме у неё относительно большая площадь. При температуре горения рабочей смеси основные потери энергии идут через излучение. Интенсивность излучения пропорциональна четвёртой степени температуры, таким образом идеальная форма камеры сгорания — сферическая. Лучистая энергия не только бесполезно покидает камеру сгорания, но и приводит к перегреву рабочего цилиндра. Эти потери не только снижают эффективность преобразования химической энергии в механическую, но и вызывают проблемы с воспламенением рабочей смеси, поэтому в конструкции двигателя часто предусматривают 2 свечи.

Высокие требования к геометрической точности изготовления деталей двигателя делают его сложным в производстве — требуется применение высокотехнологичного и высокоточного оборудования: станков, способных перемещать инструмент по сложной траектории эпитрохоидальной поверхности камеры объёмного вытеснения.

При всех преимуществах (высокая удельная мощность, простота устройства, несложный ремонт при правильной эксплуатации), важной проблемой является меньшая экономичность на низких оборотах по сравнению с обычными ДВС.     (рис.3)

Гибридный двигатель представляет собой систему двух связанных между собой двигателей: бензинового и электрического. Два двигателя могут работать как в связке, так и по отдельности, всё зависит от того, какой режим работы использован в данный момент. Процессом перераспределения «полномочий» управляет мощный компьютер, который в тот или иной момент решает какой из двигателей должен сейчас работать. Для передвижения в загородном режиме всю работу берёт на себя топливный двигатель, ибо аккумулятора на трассе хватает ненадолго. Для передвижения по городу включается электродвигатель.(рис.5) Пожалуй, самым большим плюсом в использовании гибридного силового агрегата является его экономичность. Как правило, такой мотор потребляет на 25-30% меньше горючего, от стандартных бензиновых двигателей.

Вторым позитивным моментом является – высокая экологическая норма. Поскольку уменьшается расход топлива, то в экосистему идёт меньше выбросов отработанных выхлопных газов.

Третьим плюсом становится то, что батареи для электромотора заряжаются от бензинового двигателя и если они сядут, то всегда можно переключиться на бензин. Сюда же можно отнести одинаковые технические характеристики. По мощностным характеристикам «гибрид» ничем не уступает обычному мотору.

Лучше всего «гибридный» двигатель чувствует себя в городском цикле использования, где есть частые остановки. В таком случае, в основном, работает сам электромотор. Во многих странах на «гибридных» автомобилях ездит городская полиция.

Материалы, из которых изготавливают двигатели с механизмом внутреннего сгорания можно разделить на три основных группы:

1. Чугун и другие сплавы железа – достигается большая прочность, но значительно увеличивается вес.
2. Алюминий и сплавы – дают малый вес и среднюю прочность.
3. Сплавы магния – малый вес при достаточно высокой прочности, но при этом значительно возрастает стоимость.

Общее устройство ДВС

Устройство двигателя внутреннего сгорания достаточно простое, тем, кто уже сталкивался с их ремонтом, и достаточно тяжелое тому, кто еще не имеет представление об этом агрегате. Силовой агрегат включает в свое строение несколько немаловажных систем. Рассмотрим, общее устройство двигателя:

1. Систему впрыска.
2. Блок цилиндров.
3. Головку блока.
4. Газораспределительный механизм.
5. Систему смазки.
6. Систему охлаждения.
7. Механизм выхлопа отработанных газов.
8. Электронную часть двигателя.

Двигатель первичный - механизм, непосредственно преобразующий природные энергетические ресурсы вмеханическую работу. (Вторичный двигатель преобразует энергию, выработанную другими механизмами).

К первичным двигателям (ПД) относятся ветряное колесо, использующее силу ветра, водяное колесо игиревой механизм – их приводит в действие сила гравитации (падающая вода и сила притяжения), тепловыедвигатели – в них химическая энергия топлива или атомная энергия преобразуются в другие виды энергии.  (рис.5)

Ветряная мельница - аэродинамический  механизм, использующий энергию ветра, состоящий из колеса слопастями и передач. По сути, ветряная мельница является турбиной. Считается, что ветряная мельница впервые появилась  в Персии

В России ветряные мельницы традиционно использовалась для помола зерна или подъёма воды. Наиболее известным применением ветряных мельниц является их использование для помола муки.На протяжении долгого времени ветряные мельницы, наряду с водяными мельницами, были единственными машинами, которые использовало человечество. Поэтому применение этих механизмов было различным: в качестве мукомольной мельницы, для обработки материалов (лесопилка) и в качестве насосной или водоподъемной станции.С развитием в XIX в. паровых машин использование мельниц постепенно стало сокращаться.«Классическая» ветряная мельница с горизонтальным ротором и удлиненными четырёхугольными крыльями является широко распространенным элементом пейзажа в Европе, в ветреных равнинных северных регионах, а также на побережье Средиземного моря. Для Азии характерны другие конструкции с вертикальным размещением ротора. Предположительно древнейшие мельницы были распространены в Вавилоне, о чём свидетельствует кодекс царя Хаммурапи (около 1750 до н. э.). Описание орга́на, приводившегося в действие ветряной мельницей, — первое документальное свидетельство использования ветра для приведения механизма в действие. Оно принадлежит греческому изобретателю Герону Александрийскому, I век н. э. Персидские мельницы описываются в сообщениях мусульманских географов в IX в., отличаются от западных конструкцией с вертикальной осью вращения и перпендикулярно расположенными крыльями, лопатками или парусами. Персидская мельница  имеет лопасти на роторе, расположенные аналогично лопаткам гребного колеса на пароходе и должна быть заключена в оболочку, закрывающую часть лопаток, иначе давление ветра на лопасти будет одинаковым со всех сторон и, так как паруса жестко связаны с осью, мельница не будет вращаться.Ещё один вид мельниц с вертикальной осью вращения известен как китайская мельница или китайский ветряк.  (рис.6)

Водяное колесо - механическое устройство для преобразования энергии падающей воды в энергию вращательного движения стем, чтобы на оси колеса можно было совершать работу. При подъеме воды на некоторый уровень в нейзапасается соответствующая этому уровню потенциальная энергия, поэтому падающая вода может совершатьработу. Различают три основных вида водяного колеса - подливное (нижнебойное), наливное (верхнебойное) и среднебойное; их схемы приведены на рисунке. Подливное колесо -самое древнее, им с незапамятныхвремен пользовались древние египтяне и персы в своих черпаковых подъемниках воды, которые известнытеперь под названием норий. В простейшем водяном колесе на ободе установлены прямые лопатки; нижниелопатки погружаются в водный поток. Течение давит на лопатки, и колесо вращается.   (рис.7)

Гидродвигатель- исполнительное устройство, преобразующее давление рабочей жидкости в механическую работу. Типы гидродвигателей: гидроцилиндры для возвратно-поступательного движения (например, прессующий механизмв машинах для литья под давлением), моментные гидроцилиндры для ограниченноговращательного движения (поворот формовочных и стержневых машин), гидромоторы для вращения и поток для непосредственного воздействия на материал (гидроабразивная очистка). Гидродвигатели широкоиспользуют в литейном производстве в автоматических формовочных линиях, в машинах для изготовлениястержней, при литье в кокиль и под давлением.

Электрический двигатель- является устройством для преобразования электрической энергии в механическую и приведения в движение машин и механизмов. Электродвигатель – главный и обязательный (но не единственный) элемент электропривода.

Первые электродвигатели были изобретены еще в первой ХІХ ст., а с конца того же столетия стали получать все большее распространение. Современные промышленность, транспорт, коммунальное хозяйство, быт уже невозможно представить без электрических двигателей.

Преобладающее большинство электрических двигателей являются двигателями вращательного движения (рис. 1). Они состоят из неподвижной части (статора) и подвижной (ротора). Ротор начинает вращаться после подачи питания к обмоткам двигателя. Однако для ряда механизмов, выполняющих поступательное или возвратно-поступательное движение (суппорты и столы металлорежущих станков, некоторые транспортные 10 средства), с целью упрощения конструкции механической части электропривода иногда используют линейные двигатели. Подвижная часть таких двигателей (вторичный элемент или бегун) осуществляет линейное перемещение . (рис.8)

Пневмодвигатели- Пневмодвигатели подобны гидродвигателям по принципу действия и конструкции, за исключением того, что в качестве рабочей среды в них используется газ (воздух). Рабочая полость — пространство двигателя, в которое поступает воздух из пневмосети, выхлопная полость — пространство двигателя, соединенное со средой, в которую происходит выброс воздуха.

Пневмодвигатели по характеру движения выходного звена делятся на двигатели вращательного действия (пневмомоторы), поворотные пневмодвигатели и двигатели поступательного действия (пневмоцилиндры). По виду рабочего элемента различают шестеренные, ротационные, пластинчатые, поршневые, мембранные, винтовые и турбинные пневмомоторы. В зависимости от возможности изменения направления вращения выходного звена моторы делятся на реверсивные и нереверсивные. В промышленности для получения вращения выходного вала широко используют пластинчатые пневмомоторы (в ручных пневмодрелях и высокооборотных шлифовальных машинках). Конструктивные схемы пластинчатых и шестеренных пневмомоторов практически не отличаются от схем соответствующих гидромашин.   (рис.9)

Пpи paбoтe пopшнeвoгo двигaтeля внутpeннeгo cгopaния пopшeнь coвмecтнo c вepxнeй гoлoвкoй шaтунa движeтcя в цилиндpe пocтупaтeльнo (ввepx — вниз), пpи этoм кoлeнчaтый вaл coвмecтнo c нижнeй гoлoвкoй шaтунa coвepшaeт вpaщaтeльныe движeния. У пoдaвляющeгo бoльшинcтвa двигaтeлeй, ecли cмoтpeть нa двигaтeль co cтopoны шкивa, вpaщeниe кoлeнчaтoгo вaлa ocущecтвляeтcя пo чacoвoй cтpeлкe. Зa oдин oбopoт кoлeнчaтoгo вaлa (З60°) пopшeнь в цилиндpe coвepшaeт двa xoдa (oдин xoд ввepx и oдин вниз). Пpи пocтoяннoй cкopocти вpaщeния кoлeнчaтoгo вaлa двигaтeля, пopшeнь в цилиндpe движeтcя c уcкopeниeм — зaмeдлeниeм. Haимeньшиe cкopocти движeния пopшня будут нaблюдaтьcя пpи eгo «кpaйниx» пoлoжeнияx в цилиндpe — в вepxнeй (BMT) и нижнeй чacти (HMT). B вepxнeй и нижнeй чacти цилиндpa пopшeнь «вынуждeн» cдeлaть ocтaнoвку, чтoбы пoмeнять нaпpaвлeниe движeния.

Автомобили на сегодняшний день в России – главная причина загрязнения воздуха в городах. Сейчас в мире их насчитывается более полумиллиарда. Выбросы от автомобилей в городах особенно опасны тем, что загрязняют воздух в основном на уровне 60-90 см от поверхности Земли и особенно на участках автотрасс, где стоят светофоры. Наибольшее количество загрязняющих веществ выбрасывается при разгоне автомобиля, особенно при быстром, а также при движении с малой скоростью (из диапазона наиболее экономичных). Относительная доля (от общей массы выбросов) углеводородов и оксида углерода наиболее высока при торможении и на холостом ходу, доля оксидов азота - при разгоне. Из этих данных следует, что автомобили особенно сильно загрязняют воздушную среду при частых остановках и при движении с малой скоростью. 

Загрязнение воздушной среды способствует как заболеваниям человека, животных, растений, так и изменениям окружающей среды.

Запасы свободного кислорода на нашей планете возобновляются только зелеными растениями – водорослями, деревьями, кустарниками, травами. Невольно проникаешься уважением к этим живым лабораториям, которые ежедневно трудятся для того, чтобы не дать людям и животным задохнуться от недостатка кислорода.

В основу действия ртутного движителя положен принцип эквивалентности гравитации и инерции, а именно способность свободных гироскопов сохранять неизменной ось своего вращения происходит это потому, что вращающаяся с большой скоростью масса сохраняет вектор момента импульса вращающейся точки в пространстве. Внутри трубы движется ртуть стрелкой указано направление движения ртути. Ртуть двигаясь по спирали стремиться сохранить вектор момента импульса вращающейся точки в пространстве, чем и заставляет все устройство двигаться. Шаг витков трубы должен увеличиваться пропорционально сужению спирали, иначе вектор момента импульса относительно вращающейся точки останется неизменным, будет изменятся лишь момент импульса вращения.

Для достижения необходимой тяги движителя ртуть должна двигаться внутри трубы с очень большой скоростью. При определённом коэффициенте шероховатости трубы и скорости, течение ртути из ламинарного перейдет в турбулентное – произойдет отказ движителя, следует идеально отполировать трубу либо покрыть ее полимером со сверх низким коэффициентом трения. т. к. ртуть является парамагнетиком разгонять ее можно следующим способом: например пропуская через ртуть переменный эл. ток поперек магнитного поля совпадающего по амплитуде, фазе и частоте с ЭДС переменного тока. У ртути небольшая вязкость, так что в высокочастотном поле ее вполне реально разогнать до необходимой скорости. В качестве источника энергии удобно было-бы использовать магнитогидродинамические генераторы (МГД) и с помощью преобразователя частоты управлять тягой движителя.