Исследование зависимости коэффициента полезного действия двигателей внутреннего сгорания от температуры в условиях Севера.
творческая работа учащихся по физике (9 класс) на тему

Опубликовано 31.05.2016 - 13:51 - Дмитрук Майя Вячеславовна

Работа посвещена исследования зависимости КПД ДВС от температуры окружающей среды в условиях Севера.

Скачать:

Вложение	Размер
issledovaniya_zavisimosti_kpd_ot_temperatury.docx	779.53 КБ

Предварительный просмотр:

XII ВСЕРОССИЙСКИЙ КОНКУРС НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ ИМЕНИ Д.И. МЕНДЕЛЕЕВА

(Всероссийский этап)

Исследование зависимости коэффициента полезного действия двигателей внутреннего сгорания от температуры в условиях Севера.

Ханты-мансийский автономный округ-Югра, Тюменская область, Сургутский район, поселок Солнечный

Секция естественно-математического направления.

Автор:

Сефербеков Даниил Мукаилович,

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Солнечная средняя общеобразовательная школа № 1»

9 А класс

Научный руководитель:

Дмитрук Майя Вячеславовна,

учитель физики,

Муниципальное бюджетное

общеобразовательное учреждение

«Солнечная средняя

общеобразовательная школа № 1»

Сургутский район

2015 год

Оглавление

1.Научная статья…………………………………………………………………….....3

1)Двигатели внутреннего сгорания……………………………………………….......4

2) Устройство поршневых двигателей внутреннего сгорания…………………….4

3) КПД и структура распределение потерь в ДВС…………………………………...5

4) Показатели, характеризующие работу двигателя…………………………………7

4) Влияние транспорта на окружающую среду………………………………………7

5)Практическая часть…………………………………………………………………..8

2.Заключение…………………………………………………………………………...10

3.Список использованной литературы и источников………………………………..11

4.Приложение……………………………………………………………………….12-18

«Исследование зависимости коэффициента полезного действия двигателей внутреннего сгорания от температуры в условиях Севера».

Сефербеков Даниил Мукаилович ,

ХМАО-Югра, Сургутский район, п Солнечный, муниципальное бюджетное общеобразова-тельное учреждение «Солнечная средняя общеобразовательная школа № 1», 9 класс

Научная статья.

Научно-техническая революция, которая произошла в конце 19 века, вместе со многими гениальными открытиями привела к изобретению такого полезного устройства, как двигатель внутреннего сгорания. Благодаря этому человечество смогло кардинально изменить мир и сделать значительный шаг в развитии цивилизации. Сегодня такие двигатели широко применяются не только в автомобилестроении, но и в промышленности, где они являются важнейшей составной частью всей технологической цепочки производства. Все фабрики, заводы, комбинаты и прочие промышленные объекты напрямую зависят от агрегатов внутреннего сгорания, которые дают возможность осуществлять всю необходимую работу. Как работает двигатель внутреннего сгорания в условиях Севера, как он влияет на экологию, от чего зависит коэффициент полезного действия? Знание о том, из чего состоит двигатель автомобиля, как он работает, чрезвычайно важно и необходимо в нашей жизни. Этим и объясняется актуальность нашей работы. Современные двигатели внутреннего сгорания постоянно усовершенствуются, в результате чего уровень их КПД повышается, а мощность увеличивается. Несмотря на то, что с экологической точки зрения они наносят вред окружающей среде, они все еще занимают первое место по уровню применения среди всех остальных видом моторов.

Гипотеза: коэффициент полезного действия двигателей внутреннего сгорания от температуры окружающей среды не зависит.

Цель работы: выяснение зависимости коэффициента полезного действия двигателей внутреннего сгорания от температуры окружающей среды в условиях Севера. Поставленная цель наметила следующие задачи:

1.Теоретическое изучение устройства и принципа работы двигателя внутреннего сгорания, коэффициента полезного действия двигателя внутреннего сгорания.

2.Экспериментальное исследование, подтверждающие закономерность зависимости расхода топлива, мощности двигателя, коэффициента полезного действия двигателя от температуры.

3.Обобщение полученных результатов исследования и выявление общих закономерностей.

Предмет исследования: изучение влияния температуры окружающей среды на коэффициент полезного действия двигателя внутреннего сгорания в условиях Севера.

Объект исследования: двигатель внутреннего сгорания легкового семейного автомобиля LAND ROVER DISCOVERY.

Методы исследования: поиск информации, прямых и косвенных измерений, сравнений, обобщение и систематизация материала, построение таблицы, графиков, гистограмм.

Двигатели внутреннего сгорания.

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС)- это вид теплового двигателя, в котором процесс сгорания топлива с выделением теплоты и превращением ее в механическую работу происходит непосредственно в цилиндрах. [1] Двигатели внутреннего сгорания работают на жидком топливе (бензин, керосин, нефть) или на горючем газе. Первый двигатель внутреннего сгорания (ДВС) был создан в 1860 г. французским инженером Э. Ленуаром (1822-1900), но эта машина была еще весьма несовершенной, её мощность была около 12 л. с. В 1862 г. французский изобретатель Альфонс Бо де Роша (1815-1891) предложил использовать в двигателе внутреннего сгорания четырехтактный цикл: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск. (Приложение 1). Эта идея была использована немецким изобретателем Н. Отто, построившим в 1878 г. первый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания. КПД такого двигателя достигал 22%. Рассматриваемые двигатели успешно используются на автомобилях, тракторах, сельскохозяйственных машинах, тепловозах, судах, электростанциях и т.д. ДВС отличается хорошей приспособляемостью к потребителю. Важным положительным качеством ДВС является возможность их быстрого пуска в обычных условиях. Двигатели, работающие при низких температурах, снабжаются специальными устройствами для облегчения и ускорения пуска. После пуска двигатели сравнительно быстро могут принимать полную нагрузку. ДВС обладают значительным тормозным моментом, что очень важно при использовании их на транспортных установках. [2]

Устройство поршневых двигателей внутреннего сгорания.

Поршневые ДВС состоят из механизмов и систем, выполняющих заданные им функции и механизмов, взаимодействующих между собой. (Приложение 1). Основными частями такого двигателя являются кривошипно-шатунный механизм и газораспределительный механизм, а также системы питания, охлаждения, зажигания и смазочная система. Кривошипно-шатунный механизм преобразует прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Механизм газораспределения обеспечивает своевременный впуск горючей смеси в цилиндр и удаление из него продуктов сгорания. Система питания предназначена для приготовления и подачи горючей смеси в цилиндр, а также для отвода продуктов сгорания. Смазочная система служит для подачи масла к взаимодействующим деталям с целью уменьшения силы трения и частичного их охлаждения, наряду с этим циркуляция масла приводит к смыванию нагара и удалению продуктов износа. Система охлаждения поддерживает нормальный температурный режим работы двигателя, обеспечивая отвод теплоты от сильно нагревающихся при сгорании рабочей смеси деталей цилиндров поршневой группы и клапанного механизма. Система зажигания предназначена для воспламенения рабочей смеси в цилиндре двигателя. Внутри цилиндра перемещается поршень. Цилиндр, поршень, шатун и коленчатый вал составляют так называемый кривошипно-шатунный механизм. [3] Перемещение поршня ограничивается двумя крайними положениями, при которых его скорость равна нулю. Крайнее верхнее положение поршня называется верхней мертвой точкой (ВМТ), крайнее нижнее - нижней мертвой точкой (НМТ). Безостановочное движение поршня через мертвые точки обеспечивается маховиком, имеющим форму диска с массивным ободом. Расстояние, проходимое поршнем от ВМТ до НМТ, называется ходом поршня. Пространство над днищем поршня при нахождении его в ВМТ называется камерой сгорания; ее объем обозначается через Vc; пространство цилиндра между двумя мертвыми точками (НМТ и ВМТ) называется его рабочим объемом и обозначается Vh. Сумма всех рабочих объемов цилиндров многоцилиндрового двигателя называют рабочим объемом двигателя. Отношение полного объема цилиндра Va к объему камеры сгорания Vc называется степенью сжатия. Степень сжатия является важным параметром двигателей внутреннего сгорания, так как сильно влияет на его экономичность и мощность. [4]

КПД и структура распределение потерь в ДВС.

Любая тепловая машина состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника. Энергия, выделившая при сгорании топлива в нагревателе, передается рабочему телу – газу или пару. Расширяясь, газ совершает механическую работу А'. Чтобы двигатель мог работать циклически, необходимо сжать газ после расширения. Для уменьшения работы, совершаемой над газом при сжатии, его охлаждают, используя холодильник (окружающая среда). А' = Q1 – Q2 (работа газа за один цикл)

Формулы КПД:

Максимальный возможный КПД теплового двигателя вычислил французский инженер и ученый Сади Карно. Карно придумал идеальную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Из всех тепловых машин, работающих в контакте с нагревателем Т1 и холодильником Т2 максимально возможный КПД достигается в равновесном (обратном) цикле Карно, состоящем из двух изотерм и двух адиабат КПД не зависит от вида машины и используемого рабочего вещества устройства, а зависит только от температур Т1 и Т2. =

Любая реальная тепловая машина не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной машины (62%). Процессы, из которых состоит цикл реальной тепловой машины, не являются обратимыми. [5]

Отношение совершенной полезной работы двигателя к энергии, полученной от нагревателя, называют КПД теплового двигателя. =

Для определения КПД мощность двигателя необходимо умножить на время и поделить на произведение массы затраченного топлива на его удельную теплоту сгорания топлива умноженное на сто процентов. КПД обозначается величиной [3]

При работе двигателя внутреннего сгорания 1/3 энергии топлива преобразуется в механическую работу, 1/3 путем охлаждения передается в окружающую среду и 1/3 отводится в виде теплоты, содержащейся в отработавших газах.

Топливная эффективность. [5] (Приложение 2). Поршневые моторы (дизели тоже) сжигают в среднем не более 75% топлива, а вот 25% паров топлива и продуктов его неполного сгорания идет в выхлопную трубу и нуждается в услугах дожигателя (чтобы не отравлять окружающую среду). То есть в существующих на сегодня двигателях полноценно сгорает и переводится в тепло не более 75% топлива.
Около 65 % вырабатываемого тепла выбрасывается без пользы в окружающую среду через систему охлаждения и с выхлопными газами.
В среднем 10% работы двигателя уходит на трение между собой его деталей и на привод вспомогательных механизмов двигателя.
Любое использование тепловых потерь означает экономию энергии, более рациональное использование мощности двигателя и улучшение теплового баланса автомобиля. К 1970 годам началась настоящая погоня за повышением эффективности, продолжающаяся по сей день. [6] Были разработаны такие элементы как охлаждение рабочей смеси, изменение фаз газораспределения, поэтапный впрыск. Сегодня некоторые автопроизводители утверждают, что в современном бензиновом ДВС удается добиться общего КПД в 35-38%. Часто приходится сталкиваться с несоответствием реального и декларируемого производителем расхода бензина чуть ли не вдвое. Автомобиль с современными системами турбонадува оказывается экономичным, только если очень бережно относится к педали газа и лишний раз ее не беспокоить. В России компания «Ё-авто» занимается разработкой роторно-лопастного двигателя, в котором к минимуму сведены потери на трение. Разработчики этой конструкции уже заявляли, что КПД нового двигателя должен составить 42-45%, что очень хорошо для бензинового агрегата. Некоторые производители идут по пути дальнейшего увеличения степени сжатия, вплоть до почти «дизельных» значений, для достижения более полного сгорания бензиновой смеси. [7]

Показатели, характеризующие работу двигателя.

Индикаторной мощностью Ni называют мощность, развиваемую газами внутри цилиндра двигателя. Единицами измерения мощности являются лошадиные силы (л. с.) или киловатты (квт); 1 л. с. = 0,7355 квт.

Для определения индикаторной мощности двигателя необходимо знать среднее индикаторное давление pi т. е. такое условное постоянное по величине давление, которое, действуя на поршень в течение только одного такта сгорание—расширение, могло бы совершить работу, равную работе газов в цилиндре за весь цикл.

Индикаторные показатели характеризуют эффективность действительного рабочего цикла. К индикаторным показателям относятся среднее индикаторное давление Pi, индикаторная мощность Ni, индикаторный КПД ηi и индикаторный удельный расход топлива gi.

Средним индикаторным давлением называют такое условное, постоянное по величине давление Pi, которое, действуя на поршень, совершает работу за один его ход от ВМТ до НМТ, равную полезной работе газов за рабочий цикл.

Для карбюраторных двигателей величина рi составляет 8—12 кг/см2, а для дизельных — 7,5—10,5 кг/см2. [8]

Если известно pi, то индикаторную мощность четырехтактного двигателя можно выразить следующей формулой: Ni=л.с.

где pi — среднее индикаторное давление, кг/см2;
Vл — сумма рабочих объемов всех цилиндров (литраж) двигателя дм3 или л;
n — число оборотов коленчатого вала в минуту.

Литраж двигателя определяется по формуле:

где π — постоянное число, равное 3,14;
D — диаметр поршня, дм;
S — ход поршня, дм;
i — число цилиндров двигателя. [9]

Влияние транспорта на окружающую среду. Автомобили - главная причина загрязнения воздуха, почвы в мире. Автомобили выбрасывают в атмосферу около 300 различных токсичных веществ. При истирании автомобильных шин об асфальт атмосфера загрязняется резиновой пылью, вредной для здоровья человека. Автомобиль расходует огромное количество кислорода. С ростом числа автомобилей уменьшается площадь, занятая растительностью, которая дает кислород и очищает атмосферу от пыли и газа, все больше места занимают площадки для парковок, гаражи и автомобильные дороги. Двигатель машины работает на бензине, с добавлением свинца. Этот тяжелый металл загрязняет почву, накапливается растениями, которыми питаются животные. С молоком и мясом металл попадает в организм человека и может стать причиной тяжелых болезней. [10]

Практическая часть.

Исследование зависимости КПД двигателя внутреннего сгорания от температуры окружающего воздуха проводилось в 2 этапа на примере семейного автомобиля LAND ROVER DISCOVERY.(Приложение 3)

Технические характеристики: Объем двигателя 4,4 V8. Максимальная мощность 205 л.с. (1 л.с.=735 Вт.)- 150675 Вт. Масса 2680кг. Максимальное количество оборотов 6000 об/мин. Средний расход топлива 15 л на 100 км. За 10 с автомобиль достигает скорости 100 км/ч.

Достоинства автомобиля марки LAND ROVER DISCOVERY: комфортная подвеска; прекрасная проходимость; гармоничный двигатель, коробка автомат. Недостатки: высокий расход топлива; очень высокая цена; ограниченное сзади пространство, выброс выхлопных газов СО2 345 г/км.

На 1 этапе фиксировали температуру окружающей среды в январе и феврале 2015 г, по одному маршруту каждый день (при неизменном расстоянии 4400 м) фиксировали расход горючего V,л; время прохождения маршрута, среднюю частоту оборотов вала двигателя на электронном тахометре. Автомобиль двигался по одному и тому же маршруту при постоянной скорости 60 км/ч. По данным измерениям составили таблицу 1.

Дата	Температура воздуха t (0C)	Время движения Т, мин	Расход горючего V,л;	Средняя частота вращения двигателя при движении n, об./мин	Мощность двигателя N,кВт	КПД ДВС,%
19.01	-2	4	0,7	1000	25,1	29
20.01	-18	4,3	0,88	1200	30	29,9
21.01	-25	4,35	1	1250	31,25	28,6
22.01	-28	4,36	1	1300	32,5	28,9
23.01	-34	4,26	1,1	1500	37,5	29,6
24.01	-13	4,2	0,8	1080	27	28
25.01	-20	4,3	0,9	1200	30	29,2
26.01	-15	4,27	0,85	1100	27,5	28
27.01	-10	4,35	0,77	1000	25,1	28,9
28.01	-9	4,15	0,78	1050	26,25	28,5
29.01	-11	4,2	0,75	1080	27	28
30.01	-8	4,15	0,73	1000	25,11	29,1
31.01	-16	4,3	0,85	1100	27,5	28,3
01.02	-11	4,15	0,75	1000	25,112	27,8
02.02	-3	4,5	0,8	1000	25,112	28,8
03.02	-6	4,27	0,7	1000	25,112	29
04.02	-15	4,27	0,85	1100	27,5	28,1
05.02	-10	4,38	0,78	1000	25,112	27,7
06.02	-11	4,2	0,75	1050	26,25	28,1
07.02	-11	4,15	0,74	1000	25,112	27,9
08.02	-15	4,3	0,82	1100	27,5	29,4
09.02	-12	4,07	0,7	1050	26,25	29,8
10.02	-13	4,1	0,75	1080	27	28
11.02	-8	4,15	0,78	1000	25,11	27
12.02	-12	4,2	0,8	1050	26,25	28,1
13.02	-7	4,3	0,79	1080	27	29,9
14.02	-8	4,15	0,73	1000	25,11	29
15.02	-13	4,05	0,75	1080	27	29,7
16.02	-19	4,1	0,95	1300	32,5	28,6
17.02	-32	4,3	1,05	1400	35	29,25
Средние значения	При -11	4,175	0,7475	1032,5	25,87	27,95

Таблица 1.

2 Этап. Исследуя формулу индикаторной мощности четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, видно, что мощность двигателя N прямопропорционально зависит от числа оборотов n двигателя.

Ni=л.с. [3]

Можно составить пропорцию и вывести формулу для нахождения мощности двигателя от числа оборотов

.=, следовательно: N=

Вычислив по этой формуле мощность работы двигателя, внесем в таблицу 1.

По данным таблицы построим график 1 и диаграмму: зависимости расхода топлива V(л) от температуры t (0C) окружающего воздуха в условиях Севера. (Приложение 4)

Из графика 1 следует, что чем ниже температура окружающего воздуха, тем расход топлива увеличивается; чем выше температура окружающего воздуха, тем расход топлива меньше. При понижении температуры окружающего воздуха расходуется больше топлива, увеличивается нагрузка на все системы работы двигателя автомобиля.

По данным таблицы построим графики 2,3: зависимости количества оборотов двигателя n (об/мин) от температуры воздуха и зависимости мощности двигателя от температуры t (0C) окружающего воздуха в условиях Севера. (Приложение 5,6)

Из графиков 2,3 следует, что чем ниже температура окружающего воздуха, увеличивается расход топлива, увеличивается количество оборотов, следовательно увеличивается мощность двигателя; тем выше температура окружающего воздуха, тем мощность двигателя затрачивается меньше. Это видно и на диаграмме зависимости мощности двигателя от температуры окружающей среды.

Для определения КПД мощность двигателя нужно умножить на время и поделить на произведение массы затраченного топлива на его удельную теплоту сгорания умноженное на сто процентов.

= , где

=735 кг/м3- плотность АИ-92 бензина; удельная теплота сгорания q= 46*106 Дж/кг;

Вычислим КПД по средним значениям объема топлива, мощности, времени движения, когда температура воздуха -11 0С таблицы 1, получим: Nср=25,87 кВт ; tср= 4,175 мин ; Vср= 0,7475 л .

= =27,95 %

По данным таблицы 1 построим график 4 и диаграмму: зависимости КПД от температуры t (0C) окружающего воздуха в условиях Севера. (Приложение 7).Из графика и диаграммы следует, что чем ниже температура окружающего воздуха, тем мощность двигателя увеличивается, расход топлива увеличивается, а КПД двигателя внутреннего сгорания в среднем не меняется.

Погрешности измерений.

При температуре воздуха -11 0С

.= 27,95 %

КПД ДВС 25%-30%, следовательно =30%.

=30%.-27,95%=2,05 %

Относительная погрешность измерения =

Относительная погрешность измерения ==7 %

Заключение:

В работе проводилось исследование зависимости коэффициента полезного действия двигателей внутреннего сгорания от температуры окружающей среды в условиях Севера. Автомобиль в жизни и деятельности современной цивилизации просто необходим. Современные двигатели внутреннего сгорания постоянно усовершенствуются, в результате чего уровень их КПД повышается, а мощность увеличивается. Несмотря на то, что с экологической точки зрения они наносят вред окружающей среде, они все еще занимают первое место по уровню применения среди всех остальных видом моторов. В ходе исследования были сделаны выводы о том, что при понижении температуры увеличивается объем сгораемого топлива за счет поступления в камеру сгорания двигателя вместе с топливом холодного воздуха. При низких температурах двигатель работает в особом режиме, увеличивается нагрузка на все системы работы двигателя автомобиля: увеличивается количество оборотов двигателя, а значит, увеличивается мощность двигателя, а КПД не меняется. Для того, чтобы правильно эксплуатировать автомобиль в зимнее время нужно соблюдать скоростной режим, следить за исправностью своего автомобиля, нельзя делать резкие разгоны, торможения. Агрессивный стиль вождения – не только повышает расход топлива, но и увеличивает скорость износа практически всех важнейших систем автомобиля, делая автомобиль менее безопасным для водителя и для окружающих. Выводы, сделанные по результатам исследования, подтвердили нашу гипотезу о том, что коэффициент полезного действия двигателей внутреннего сгорания от температуры окружающей среды не зависит.

Результаты исследования рекомендованы для создания пособия в кабинете физики при изучении темы: «Двигатели внутреннего сгорания. Коэффициент полезного действия реальных двигателей внутреннего сгорания»

Список использованной литературы и источников:

1.Энциклопедия школьника. «Наука и техника». Москва. «Росмэн», 1999 г

2.Энциклопедия эрудита. Москва. «Махаон». 2012 г.

3. Двигатели внутреннего сгорания. Под ред. д-ра техн. наук, проф. В.Н.Луканина. М.: Высш. школа, 2007 г.

4. Вырубов Д. Н. и др. Двигатели внутреннего сгорания: теория поршневых и комбинированных двигателей. М.: Машиностроение, 1983.

5.Физика.10 класс: учеб. для образ. организ. Г.Мякишев , Б.Б.Буховцев, Н.Н. Сотский; Москва. Просвещение. 2014 г.

6.Исследовано в России [Электронный ресурс] КПД ДВС (Способы повышения) клуб экспертов THG.ru. Режим доступа: http://www.thg.ru/forum/showthread.php?t=72431

7. Исследовано в России [Электронный ресурс] Эффективный КПД двигателя. Icarbio.ru.Режим доступа: http://icarbio.ru/articles/effektivnyj-kpd.html

8. Хачиян А.С. и др. Двигатели внутреннего сгорания. М.: Высш. шк., 1985

9. Исследовано в России [Электронный ресурс] Двигатели внутреннего сгорания. ru.wikipedia.org.Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/

10. Исследовано в России [Электронный ресурс] Реферат: Двигатели внутреннего сгорания - BestReferat.ru .Режим доступа: http://www.bestreferat.ru/referat-81580.html

Приложение 1

4 такта двигателей внутреннего сгорания.

$F:\Исследование ДВС\2039_html_22c77d63.jpg$