В современном мире любители авто всё чаще задают вопрос:
«Почему автомобиль с ДВС практичнее чем электромобиль?».
Материал данной работы содержит исследование по сравнению физических характеристик автомобиля с бензиновым двигателем и электромобиля. Сравнительный анализ проведён на примере построения диаграммы зависимости мощности (кВт) от частоты вращения коленчатого вала (об/мин) и диаграммы зависимости крутящего момента (Н•м) от частоты вращения коленчатого вала (об/мин). Сделаны выводы.
Авторы данной работы познакомят читателей с устройством бензинового двигателя 4G63T, с физическими процессами, которые лежат в основе принципа работы данного двигателя. А так же расскажут о создании учебного видеоролика «Разборка и сборка двигателя 4G63T».
Вложение | Размер |
---|---|
proekt_2024_sravnenie_avtomobilya_s_dvs_i_elektromobilya.docx | 377.73 КБ |
Министерство образования и науки Хабаровского края
краевое государственное бюджетное
профессиональное образовательное учреждение
«Комсомольский-на-Амуре строительный колледж»
Учебный проект по дисциплине
ФИЗИКА
Тема «Сравнение автомобиля с ДВС и электромобиля»
Авторы: Махнев Владимир Александрович, студент по специальности 21.01.08 (Машинист на открытых горных породах), Панфилов Вадим Вадимович, Шамаханов Никита Вячеславович, Самарин Дмитрий Денисович, студенты по специальности 23.02.07 (Техническое обслуживание и ремонт двигателей, систем и агрегатов автомобилей) КГБ ПОУ «Комсомольский-на-Амуре строительный колледж» Руководители: Ненашкина Светлана Ивановна Преподаватель физики ВКК Ненашкин Владимир Михайлович Преподаватель спецдисциплин КГБ ПОУ «Комсомольский-на-Амуре строительный колледж» |
Комсомольск-на-Амуре, 2024 год
Содержание
Введение ………………………………………………………………...……....…3
1. Исторические данные ……………………………………………....…….…...6
2. Теоретическая часть …………………………………………………………...8
2.1. Общие характеристики ………………………………………………....……8
2.2. Характеристики бензинового двигателя …………………………….…….10
2.3. Характеристики электрического двигателя ………………………….……11
2.4. Сравнительный анализ двигателей ……………………………….….…….13
3. Практическая часть ……………………………………………………..……..15
3.1 Изучение устройства ДВС 4G63T……………………………………………15
3.2 Изучение циклов работы 4-х тактного двигателя…………………………..17
3.3 Изучение основных характеристик ДВС 4G63T……………………………18
3.2. Порядок неполной разборки ДВС…………………………………………..18
Заключение ………………………………………………………………….……20
Литература …………………………………………………………………..……21
Приложения ……………………………………………………………….…..….23
Введение
Актуальность. Для облегчения деятельности человека на протяжении двух веков человечество создаёт механизмы, которые используют различные виды энергии. Нам бы хотелось рассмотреть два вида двигателей, которые наиболее широко используются в экономике:
Именно они устанавливаются на современных автомобилях. Автомобильная отрасль развивается стремительными темпами и многие люди, которые интересуются новинками автомобильной техники останавливают свой выбор на электромобилях. Однако, возникает вопрос: «Насколько электромобиль практичнее автомобиля с ДВС? Или всё-таки наоборот?» В нашей работе собраны, описаны и проанализированы физические характеристики современных автомобилей и даны рекомендации по выбору транспортного средства.
На мировом авторынке мы видим, что некоторые страны, например, Норвегия к 2025 году готова полностью отказаться от автомобилей с ДВС. Российская Федерация не отстает от мировой практики и начинает выпуск собственных электромобилей. По статистике 14% опрошенных россиян хотели бы приобрести электромобиль, а значит изучение данной темы актуально.
Проблема исследования – Почему автомобиль с ДВС практичнее чем электромобиль?
Объект исследования – Двигатели внутреннего сгорания (на примере двигателя 4G63T) и электродвигатель для легкового автомобильного транспорта.
Предмет исследования – Сравнение физических характеристик автомобиля с бензиновым двигателем и электромобиля с асинхронным двигателем.
Цель: Сравнить физические характеристики автомобиля с бензиновым двигателем и электромобиля с асинхронным двигателем.
Задачи исследования:
Гипотеза – двигатель внутреннего сгорания (ДВС) значительно практичнее при повседневной эксплуатации чем автомобиль, имеющий электрический двигатель.
Основные этапы работы:
Методы исследования:
1. Изучение специальной литературы.
2. Обобщение, анализ и систематизация материала по данной теме.
3. Анализ и фиксация результатов исследований.
Научная новизна нашего исследования заключается в новом виде формирования позитивного взгляда наших соотечественников на автомобили с ДВС.
Теоретическая значимость данной исследовательской работы заключается в совершенствовании методов описания характеристик автомобильных двигателей, с целью сбора доказательств, что отказываться окончательно от автомобилей с ДВС не практично.
Практическая значимость, заключается в том, что полученные в ходе исследования данные способны расширить знания, обучающихся о достоинствах и недостатках современных автомобилей в повседневной жизни.
Характеристика основных источников получения информации. Для получения исходных данных использовались открытые источники информации: научно-популярная литература, видеоролики, находящиеся в свободном доступе в Интернете, официальные документы, учебная литература.
Двигатели внутреннего сгорания появились как альтернатива популярным в 19 веке паровым двигателям. Их преимуществами были малые габариты и быстрый запуск. Первый практически действующий двигатель был построен в 1860 году бельгийским механиком Жаном Этьеном Ленуаром. Он работал на светильном газе, открытом ещё в 1799 году французским инженером Филиппом Лебоном. В 1863 году немецкий конструктор Николаус Аугустус Отто запустил двухтактный двигатель, в пять раз экономичнее двигателя Ленуара.
Изобретателями автомобилей с двигателями внутреннего сгорания считаются немецкие инженеры. Опираясь на двадцатилетний опыт моторостроения к началу 80-х годов XIX столетия немецкий инженер и изобретатель Карл Фридрих Бенц запатентовал акселератор, систему зажигания, карбюратор и водяной радиатор охлаждения. В 1883 году начал производить двухтактный бензиновый карбюраторный двигатель, который в 1886 году установил на самостоятельно разработанный автомобиль.
В это время два друга Готлиб Даймлер и Вильгельм Майбах, проработав на заводе Отто с 1869 по 1882 год, открыли собственную фирму и в 1885 году создали легкий четырехтактный бензиновый карбюраторный двигатель. В 1886 году его поставили на первый мотоцикл. Автомобиль, созданный ими в 1889 году, был более совершенным, по сравнению с автомобилем Карла Бенца. В настоящее время многие считают Карла Бенца и Готлиба Даймлера создателями первого автомобиля. Имя Вильгельма Майбаха выпало из этой истории.
Три мировые компании автомобилестроения вписали в историю свои названия: «Мерседес Бенц», «Тойота» и «Форд».
История развития электромобилей начинается с создания электрического двигателя. В 1834 году русским ученым Борисом Семёновичем Якоби был создан первый электродвигатель с вращающимся валом. В 1835 году шотландец Роберт Андерсон на выставке Общества поощрения искусств, мануфактур и торговли показал свою электрифицированную тележку. Но практическая возможность постройки данного транспортного средства появилась в 1889 году, когда замечательный русский инженер-электротехник Михаил Осипович Доливо-Добровольский разработал систему трехфазного тока и опробовал на ней первый трехфазный двигатель переменного тока. Электродвигатель разработанный Доливо-Добровольским остался практически неизменным до настоящего времени. Широкое применение электродвигатели его разработки наши в Великобритании. К 1897 году в Лондоне работали 15 электромобилей, в 1914 по всему миру - около 30000. Это был краткий успех электромобилей. Вскоре о них забыли. Началась эпоха ДВС.
В 60-х годах двадцатого столетия экологические проблемы вышли на первый план. Электромобили становятся всё более востребованными. К концу шестидесятых годов было выпущено несколько моделей. Основой для их создания стали малогабаритные автомобили с ДВС. Основными недостатками данных транспортных средства были: слабая динамика движения, короткий пробег до полной разрядки, высокая стоимость и продолжительное время зарядки. До конца 80-х годов недостатки электромобилей так и не были устранены.
В 1990-х годах в США и Западной Европе принимаются законодательные и регулятивные меры, направленные на улучшение экологической обстановки, вместе с которыми возрождается интерес к электрическим двигателям в автомобилестроении. Реальный прорыв в данной области возник с появлением в начале XXI века аккумуляторов с высокой плотностью заряда. Известные производители преуспели в создании высокопроизводительных транспортных средств на электрической тяге. Но, тем не менее, главными проблемами электромобилей остаются их короткий пробег на одной зарядке и длительное время зарядки аккумуляторов.
2. Теоретическая часть
2.1. Основные характеристики
В настоящее время на автомобилях устанавливается два типа двигателей: тепловые и электрические. Тепловые двигатели внутреннего сгорания работают на дизельном топливе, бензине и пропане. Принцип действия бензиновых двигателей и двигателей, работающих на газе, очень похожи. Поэтому они были объединены в группу бензиновых двигателей. Электрические двигатели работают на постоянном и переменном токе. По взаимодействию магнитных полей электродвигатели бывают синхронные и асинхронные. В качестве примера нами был выбран асинхронный электродвигатель переменного тока.
Большая часть легковых автомобилей выпускается с бензиновыми двигателями. Их главные достоинства: большая мощность и лучшие скоростные характеристики, простота конструкции, малый вес и низкая стоимость по сравнению с дизельными двигателями. Но бензиновые двигатели обладают рядом недостатков: повышенным расходом топлива и меньшей долговечностью. Для оптимальной работы тепловых двигателей необходимы элементы систем питания, смазки и охлаждения, находящиеся вне двигателя.
Электрические двигатели имеют ряд преимуществ, по сравнению с тепловыми двигателями: простая конструкция электродвигателя совместно с КПД, в три раза большем, чем у тепловых; крутящий момент, имеющий высокие значения с начала движения; низкая стоимость двигателя, его обслуживания и ремонта. Главная проблема автомобильных электродвигателей связана не с ними самими, а с питающими их аккумуляторами. Недостаточная ёмкость, большой вес, большие габариты, длительное время зарядки и высокая стоимость аккумуляторов сводит к минимуму желание отечественных автолюбителей приобретать данные средства транспорта.
Наша работа связана с исследованием физических характеристик двигателей. Для этого выбраны общие характеристики для всех двигателей: номинальная мощность – 80 кВт (108,77 л.с.) и максимальное число оборотов – 4800 об/мин. Этот расчет следует считать условным, т.к. бензиновый двигатель с указанным числом оборотов считается низкоскоростным. Подобные двигатели были характерны для середины XX века. Номинальное число оборотов в асинхронном электрическом двигателе зависит от частоты тока. Поэтому на автомобилях устанавливают преобразователь частоты переменного тока. В процессе работы двигателя параметры физических характеристик меняются в зависимости от числа оборотов двигателя.
В качестве основы проведения исследовательской работы использовалась официально допущенная к печати научная литература. В качестве источника информации по электрическим двигателям для электромобилей выбраны учебные пособия для вузов В.Е. Ютта «Электромобили и автомобили с комбинированной энергоустановкой», В.Н. Галушко «Расчет асинхронных двигателей: Пособие для выполнения курсовой работы», Бойко Е.П. «Асинхронные двигатели общего назначения» и Н.Н. Демидова «Конструирование и расчет автомобилей и тракторов. Электромобили». Для выбора данных по тепловым двигателям автомобилей использовалось учебное пособие А.И. Колчина и В.П. Демидова «Расчет автомобильных и тракторных двигателей» (см.приложение №3). Дополнительная информация получена из научно-популярной литературы и видеороликов в Интернете.
2.2 Характеристики бензинового двигателя
На странице 146 учебного пособия А.И. Колчина и В.П. Демидова «Расчет автомобильных и тракторных двигателей» (см. приложение №3) дана таблица соотношения между параметрами относительной скоростной характеристики бензинового двигателя в процентах. Дополняем таблицу строками с реальными значениями величин. Находим значения расчета мощности и удельного расхода топлива, выбрав номинальное значение мощности при частоте оборотов, равном 4000 об/мин для выбранных автомобильных двигателей. Данные записываем в таблицу 1. Таблица 1
Внешние скоростные характеристики бензинового двигателя
Частота вращения коленчатого вала, % | 20 | 40 | 60 | 80 | 100 | 120 |
Частота вращения коленчатого вала, об/мин | 800 | 1600 | 2400 | 3200 | 4000 | 4800 |
Мощность двигателя, % | 20 | 50 | 73 | 92 | 100 | 92 |
Мощность двигателя, кВт | 16 | 40 | 58 | 74 | 80 | 74 |
Удельный расход топлива, % | 115 | 100 | 97 | 95 | 100 | 115 |
Удельный расход топлива, л/100 км | 7,91 | 7,33 | 7,09 | 7,19 | 7,66 | 8,41 |
Исходя из формулы (6.5) на странице 145 учебного пособия А.И. Колчина и В.П. Демидова «Расчет автомобильных и тракторных двигателей» (см. приложение №3) выписываем крутящий момент двигателя. Данные записываем в таблицу 2.
Таблица 2
Крутящий момент бензинового двигателя
Частота вращения коленчатого вала, об/мин | 800 | 1600 | 2400 | 3200 | 4000 | 4800 |
Мощность двигателя, кВт | 16 | 40 | 58 | 74 | 80 | 74 |
Крутящий момент, Н*м | 131 | 140 | 145 | 144 | 134 | 122 |
2.3 Характеристики электрического двигателя
Изучаем данные для определения параметров асинхронных электрических двигателей. Изменение мощности N находим из учебного пособия В.Н. Галушко «Расчет асинхронных двигателей: Пособие для выполнения курсовой работы» (см. приложение №3) и записываем в таблицу 3
Таблица 3
Изменение мощности электродвигателя
Частота вращения коленчатого вала, об/мин | 800 | 1600 | 2400 | 3200 | 4000 | 4800 |
Мощность двигателя, кВт | 12 | 25 | 48 | 80 | 67 | 40 |
На основании данных сайта «ЭлектроТехИнфо» определяем изменение крутящего момента в зависимости от числа оборотов вала двигателя. Особенностью электрических двигателей можно считать наличие крутящего момента при остановленном валу двигателя. Эта особенность дает возможность электродвигателям совершать работу с минимальной скорости без предварительного разгона, в отличие от двигателей внутреннего сгорания (см. таблицу 4)
Таблица 4
Расчет крутящего момента электродвигателя
Частота вращения коленчатого вала, об/мин | 0 | 800 | 1600 | 2400 | 3200 | 4000 | 4800 |
Крутящий момент, Н*м | 184 | 164 | 169 | 219 | 272 | 184 | 92 |
Удельный расход электроэнергии рассчитывался по формуле 13-24 на стр. 387 учебного пособия Бойко Е.П. «Асинхронные двигатели общего назначения». Его значения можно посмотреть в таблице 6.
Цена одного кВт*ч электроэнергии взята из сайта «Таблица тарифов ПАО «ТНС энерго Ярославль»» (выбрано максимальное значение).
Таблица 6
Физические характеристики асинхронного электрического двигателя
Частота вращения | Характеристики | ||||
N, кВт | M, Н*м | G, кВт*ч/100 км | Ц, руб/кВт*ч | С, руб/100 км | |
0 | - | 184 | - | 4,98 | - |
800 | 12 | 164 | 4,89 | 4,98 | 24,35 |
1600 | 25 | 169 | 10,09 | 4,98 | 50,25 |
2400 | 48 | 219 | 19,65 | 4,98 | 97,86 |
3200 | 80 | 272 | 32,62 | 4,98 | 162,45 |
4000 | 67 | 184 | 27,47 | 4,98 | 136,80 |
4800 | 40 | 92 | 16,48 | 4,98 | 82,07 |
В таблице 6 указаны следующие величины:
n – частота вращения выходного вала двигателя, об/мин;
N – мощность двигателя, кВт;
M – крутящий момент на выходном валу двигателя, Н*м;
На основании данных таблиц 1-6 строим графики мощностей (Диаграмма №1), крутящих моментов (Диаграмма №2) (см. приложения).
2.4. Сравнительный анализ двигателей
Рассмотрим графики мощностей (Диаграмма №1). Мы заметили, что показатели ДВС достаточно близки друг к другу. Единственным исключением является падение мощности бензинового двигателя на участке 4000-4800 об/мин. График мощности электрического двигателя несколько отличается от графиков ДВС. На участках 0-2800 об/мин и 3600-4800 об/мин мощность электродвигателя несколько меньше, чем у конкурентов. Лишь на участке 2800-3600 об/мин она выше. Значит, оптимальными оборотами при крейсерской скорости автомобиля будет этот участок. Тем не менее, показатели мощностей достаточно близки, а, значит, способность поддерживать скорость на определённых оборотах у двигателей примерно одинакова.
Рассмотрим графики крутящих моментов (Диаграмма №2). Мы видим преимущество электрического двигателя – способность развивать высокий крутящий момент с начала движения. Это достоинство электродвигателей дает возможность сэкономить на сложных механизмах трансмиссии. Сам график крутящего момента электрического двигателя находится в пределах графиков ДВС. Из этого можно сделать вывод, что разгоняться электромобиль будет примерно так же, как и автомобиль с ДВС.
ВЫВОД: Мы видим из сравнительного анализа физических характеристик двигателя ДВС и асинхронного двигателя, что больших преимуществ электродвигатель не имеет, значит, главная проблема автомобильных электродвигателей связана не с ними самими, а с питающими их аккумуляторами. Недостаточная ёмкость, большой вес, большие габариты, длительное время зарядки и высокая стоимость аккумуляторов позволяют нам сказать, что автомобили с ДВС практичнее в использовании чем электромобили. Особенно, если необходимо проехать большие расстояния, например, от Комсомольска –на-Амуре до Москвы. Здесь, опять возникает проблема. Так как в нашей стране не создана сеть станций подзарядки для электромобилей, подобных автозаправочным станциям для автомобилей с ДВС.работы
Конечно же, данное исследование лишь слегка приоткрывает завесу тайны в мир автомобилей. Наиболее интересные факты мы оформили в виде буклета. (Приложение №4)
Для создания учебного видеоролика нам необходимо знать:
Двигатель внутреннего сгорания называется так, потому что топливо воспламеняется непосредственно внутри его рабочей камеры, а не в дополнительных внешних носителях. Принцип работы ДВС основан на физическом эффекте теплового расширения газов, образующихся в процессе сгорания топливно-воздушной смеси под давлением внутри цилиндров двигателя. Выделяемая в этом процессе энергия преобразуется в механическую работу.
2.0-литровый бензиновый турбо двигатель Митсубиси 4G63T производился с 1987 по 2007 годы и устанавливался на многие спортивные модели компании типа Lancer Evolution и Galant VR-4.
Культовый двигатель от Mitsubishi, принесший имени 4G63 невероятную популярность, во многом благодаря фантастической склонности к тюнингу, широчайшем наборе тюнинговых запчастей и отличной надежности. Разрабатывался двигатель на основе атмосферного 4G63, высота блока которого 229 мм, туда поставили новый коленвал с ходом поршня 88 мм, шатуны длинной 150 мм, поршни высотой 35 мм, добавили масляные форсунки для их охлаждения. Сверху накрыли это все двухвальной 16 клапанной DOHC ГБЦ, заменили форсунки 240/210 сс на более производительные 450 сс (390 сс для АТ версий), поставили дроссельную заслонку 60 мм с двухступенчатым впускным коллектором, установили турбину TD05H 14B (TD05H 13G для АТ версий) и надули 0.6 бар. В дальнейшем 4G63T дорабатывался, и данная конфигурация изменялась.
Первые поршневые ДВС имели лишь один цилиндр небольшого диаметра. В дальнейшем, для увеличения мощности сначала увеличивали диаметр цилиндра, а потом и их количество. Постепенно двигатели внутреннего сгорания приняли привычный нам вид. “Сердце” современного автомобиля может иметь до 12 цилиндров.
Наиболее простым является двигатель с рядным расположением цилиндров. Однако, с увеличением количества цилиндров растет и линейный размер двигателя.
Одна из основных частей двигателя — цилиндр, в котором находится поршень, соединенный при помощи пальца с шатуном, далее шатун при помощи бугеля соединяется с коленчатым валом. Прямолинейное движение поршня в цилиндре вверх и вниз преобразуют во вращательное движение коленчатый вал.
На конце коленчатого вала закреплен маховик, он предназначен:
1.Обеспечение равномерности угловой скорости коленчатого вала.
2.Обеспечение вывода поршней из мертвых точек.
3.Передача крутящего момента от коленчатого вала на механизм сцепления и далее на КПП.
4.Передача крутящего момента от шестерни стартера на коленчатый вал при пуске силового агрегата.
Сверху цилиндры плотно закрыты головкой блока цилиндров (ГБЦ), в которой находятся впускные и выпускные клапана, закрывающие соответствующие каналы.
Клапана открываются под действием кулачков распределительного вала через передаточные механизмы. Распределительный вал приводится во вращение шестернями (ремнём) от коленчатого вала.
Для уменьшения силы трения, отвод теплоты, предотвращения задиров и быстрого износа трущиеся детали смазывают маслом. Для поддержания теплового режима двигателя предназначена система охлаждения.
Но главная задача – заставить работать поршень, ведь именно он является главной движущей силой. Для этого в цилиндры должны подаваться горючая смесь в определенной пропорции (у бензиновых), и отмеренные порции топлива в строго определенный момент под высоким давлением (у дизелей). Топливо воспламеняется в камере сгорания, отбрасывает поршень с большой силой вниз, тем самым приводя его в движение.
Точка отсчета — положение поршня вверху (ВМТ — верхняя мертвая точка). В данный момент впускное отверстие открывается клапаном, поршень начинает движение вниз и засасывает топливную смесь в цилиндр. Это первый такт цикла.
Во время второго такта поршень достигает самой нижней точки (НМТ — нижняя мертвая точка), при этом впускное отверстие закрывается, поршень начинает движение вверх, из-за чего топливная смесь сжимается. При достижении поршнем максимальной верхней точки топливная смесь сжата до максимума.
Третий этап – это поджигание сжатой топливной смеси с помощью свечи, которая испускает искру. В результате горючий состав взрывается и толкает поршень с большой силой вниз.
На заключительном этапе поршень достигает нижней границы и по инерции возвращается к верхней точке. В это время открывается выпускной клапан, отработанная смесь в виде газа выходит из камеры сгорания и через выхлопную систему попадает на улицу. После этого цикл, начиная с первого этапа, повторяется снова и продолжается в течение всего времени работы двигателя.
Описанный выше способ является универсальным. По такому принципу построена работа практически всех бензиновых моторов.
Степень сжатия – это отношение полного объёма цилиндра к объёму камеры сгорания.
Фирма производитель Митсубиси
Точный объем 1997 см³
Система питания инжектор
Мощность ДВС 200 л.с.
Крутящий момент 290 Нм при 2750 об/мин
Блок цилиндров алюминиевый
Головка блока алюминиевая 16v
Диаметр цилиндра 85 мм
Ход поршня 88 мм
Степень сжатия 8,5
3.4 Порядок неполной разборки ДВС 4G63T:
Для записи видеоролика мы использовали видеокамеру производства Canon LEGRIA FS200
Заключение
На основании проведенного нами исследования, можно сделать следующие выводы:
Результаты нашего исследования:
Использованная литература
Учебники и учебные пособия
Электронные ресурсы
ПРИЛОЖЕНИЯ
Диаграмма №1
Диаграмма №2
Приложение№3
Для построения Диаграмм мы использовали учебные пособия:
Заяц, косач, медведь и весна
Рисуем подснежники гуашью
Кто должен измениться?
Рисуем одуванчики гуашью (картина за 3 минуты)
Акварельные гвоздики