1.5. Принцип действия
четырехтактного карбюраторного
двигателя.
Рабочим циклом двигателя называется
периодически повторяющийся ряд последовательных
процессов, протекающих в каждом цилиндре
двигателя и обуславливающих превращение
тепловой энергии в механическую работу.
Если рабочий цикл совершается за два
хода поршня, т.е. за один оборот коленчатого
вала, то такой двигатель называется двухтактным.
Автомобильные двигатели работают, как
правило, по четырехтактному циклу, который
совершается за два оборота коленчатого
вала или четыре хода поршня и состоит
из тактов впуска, сжатия, расширения (рабочего
хода) и выпуска. В карбюраторном четырехтактном
одноцилиндровом двигателе рабочий цикл
происходит следующим образом: 1. Такт впуска.
По мере того, как коленчатый вал двигателя
делает первый полуоборот, поршень перемещается
от ВМТ к НМТ, впускной клапан открыт, выпускной
клапан закрыт. В цилиндре создается разряжение
0,07-0,095 МПа, вследствие чего свежий заряд
горючей смеси, состоящий из паров бензина
и воздуха, засасывается через впускной
газопровод в цилиндр и, смешиваясь с остаточными
отработавшими газами, образует рабочую
смесь.
2. Такт сжатия. После заполнения
цилиндра горючей смесью при дальнейшем
вращении коленчатого вала (второй полуоборот)
поршень перемещается от НМТ к ВМТ при
закрытых клапанах. По мере уменьшения
объема температура и давление рабочей
смеси повышается. 3. Такт расширения
или рабочий ход. В конце такта сжатия
рабочая смесь воспламеняется от электрической
искры и быстро сгорает, вследствие чего
температура и давление образующихся
газов резко возрастает, поршень при этом
перемещается от ВМТ к НМТ. В процессе
такта расширения шарнирно связанный
с поршнем шатун совершает сложное движение
и через кривошип приводит во вращение
коленчатый вал. При расширении газы совершают
полезную работу, поэтому ход поршня при
третьем полуобороте коленчатого вала
называют рабочим. В конце рабочего хода
поршня, при нахождении его около НМТ открывается
выпускной клапан, давление в цилиндре
снижается до 0,3-0,75 МПа, а температура до
950-1200 С. 4. Такт выпуска.
При четвертом полуобороте коленчатого
вала поршень перемещается от НМТ к ВМТ.
При этом выпускной клапан открыт, и продукты
сгорания выталкиваются из цилиндра в
атмосферу через выпускной газопровод. [3]
1.6. Причины загрязнения
воздуха отработавшими газами
автомобилей.
Основная причина загрязнения
воздуха заключается в неполном и неравномерном
сгорании топлива. Всего 15% его расходуется
на движение автомобиля, а 85 % «летит на
ветер». К тому же камеры сгорания автомобильного
двигателя – это своеобразный химический
реактор, синтезирующий ядовитые вещества
и выбрасывающий их в атмосферу. Даже невинный
азот из атмосферы, попадая в камеру сгорания,
превращается в ядовитые окислы азота.
В отработавших газах двигателя внутреннего
сгорания (ДВС) содержится свыше 170 вредных
компонентов, из них около 160 – производные
углеводородов, прямо обязанные своим
появлением неполному сгоранию топлива
в двигателе. Наличие в отработавших газах
вредных веществ обусловлено в конечном
итоге видом и условиями сгорания топлива.
Отработавшие газы, продукты износа механических
частей и покрышек автомобиля, а также
дорожного покрытия составляют около
половины атмосферных выбросов антропогенного
происхождения. Наиболее исследованными
являются выбросы двигателя и картера
автомобиля. В состав этих выбросов, помимо
азота, кислорода, углекислого газа и воды,
входят такие вредные компоненты, как
окись. Двигаясь со скоростью 80-90 км/ч в
среднем, автомобиль превращает в углекислоту
столько же кислорода, сколько 300-350 человек.
Но дело не только в углекислоте. Годовой
выхлоп одного автомобиля – это 800 кг окиси
углерода,40 кг окислов азота и более 200
кг различных углеводородов. В этом наборе
весьма коварна окись углерода. Из-за высокой
токсичности её допустимая концентрация
в атмосферном воздухе не должна превышать
1 мг/м3. Известны случаи трагической гибели
людей, запускавших двигатели автомобилей
при закрытых воротах гаража. В одноместном
гараже смертельная концентрация окиси
углерода возникает уже через 2-3 минуты
после включения стартера. В холодное
время года, остановившись для ночлега
на обочине дороги, неопытные водители
иногда включают двигатель для обогрева
машины. Из-за проникновения окиси углерода
в кабину такой ночлег может оказаться
последним.
Окислы азота токсичны для человека и,
кроме того, обладают раздражающим действием.
Особо опасной составляющей отработавших
газов являются канцерогенные углеводороды,
обнаруживаемые, прежде всего, на перекрёстках
у светофоров (до 6,4 мкг/100 м3, что в 3 раза
больше, чем в середине квартала).
При использовании этилированного бензина
автомобильный двигатель выбрасывает
соединения свинца. Свинец опасен тем,
что способен накапливаться, как во внешней
среде, так и в организме человека.
Уровень загазованности магистралей и
при магистральных территорий зависит
от интенсивности движения автомобилей,
ширины и рельефа улицы, скорости ветра,
доли грузового транспорта и автобусов
в общем потоке и других факторов. При
интенсивности движения 500 транспортных
единиц в час концентрация окиси углерода
на открытой территории на расстоянии
30-40 м от автомагистрали снижается в 3 раза
и достигает нормы. Затруднено рассеивание
выбросов автомобилей на тесных улицах.
В итоге практически все жители города
испытывают на себе вредное влияние загрязнённого
воздуха.
Из соединений металлов, входящих в состав
твёрдых выбросов автомобилей, наиболее
изученными являются соединения свинца.
Это обусловлено тем, что соединения свинца,
поступая в организм человека и теплокровных
животных с водой, воздухом и пищей, оказывают
на него наиболее вредное действие. До
50 % дневного поступления свинца в организм
приходится на воздух, в котором значительную
долю составляют отработавшие газы автомобилей.
Поступления углеводородов в атмосферный
воздух происходит не только при работе
автомобилей, но и при разливе бензина.
По данным американских исследователей
в Лос-Анджелесе за сутки испаряется в
воздух около 350 тонн бензина. И повинен
в этом не столько автомобиль, сколько
сам человек. Чуть-чуть пролили при заливке
бензина в цистерну, забыли плотно закрыть
крышку при перевозке, плеснули на землю
при заправке на автозаправочной станции,
и в воздух потянулись различные углеводороды.
Каждый автомобилист знает: вылить из
шланга весь бензин в бак практически
невозможно, какая-то часть его из ствола
«пистолета» обязательно выплёскивается
на землю. Немного. Но сколько сегодня
у нас автомобилей? И с каждым годом их
число будет расти, а, значит, будут увеличиваться
и вредные испарения в атмосферу. Лишь
300 г. бензина, пролитого при заправке автомобиля,
загрязняют 200 тысяч кубических метров
воздуха. Самый простой путь решения проблемы
– создать заправочные автоматы новой
конструкции, не позволяющие пролиться
на землю даже одной капле бензина.[8]
1.7.Альтернативные
виды топлива.
До конца XX столетия двигатель
внутреннего сгорания остаётся основной
движущей силой автомобиля. В связи с этим
единственный путь решения энергетической
проблемы автомобильного транспорта –
это создание альтернативных видов топлива.
Новое горючее должно удовлетворить очень
многим требованиям: иметь необходимые
сырьевые ресурсы, низкую стоимость, не
ухудшать работу двигателя, как можно
меньше выбрасывать вредных веществ, по
возможности сочетаться со сложившейся
системой снабжения топливом и др.
В значительно, больших масштабах в качестве
топлива для автомобилей будут использоваться
заменители нефти: метанол и этанол, синтетические
топлива, получаемые из углей. Их использование
поможет существенно снизить токсичность
и отрицательное воздействие автомобиля
на окружающую среду.
Среди альтернативных видов топлива в
первую очередь следует отметить спирты,
в частности метанол и этанол, которые
можно применять не только как добавку
к бензину, но и в чистом виде. Их главные
достоинства – высокая детонационная
стойкость и хороший КПД рабочего процесса,
недостаток – пониженная теплотворная
способность, что уменьшает пробег между
заправками и увеличивает расход топлива
в 1,5-2 раза по сравнению с бензином. Кроме
того, из-за плохой испаряемости метанола
и этанола затруднен запуск двигателя.
Использование спиртов в качестве автомобильного
топлива требует незначительной переделки
двигателя. Например, для работы на метаноле
достаточно перерегулировать карбюратор,
установить устройство для стабилизации
запуска двигателя и заменить некоторые
подверженные коррозии материалы более
стойкими. Учитывая ядовитость чистого
метанола, необходимо предусмотреть тщательную
герметизацию топливоподающей системы
автомобиля.
Сделать двигатель «чистым» нетрудно.
Надо лишь перевести его с бензина на сжатый
воздух. Но эта идея не выдержала критики,
когда речь заходит об автомобильных двигателях:
далеко на таком «горючем» не уедешь. И
американские специалисты предложили
заменить сжатый воздух жидким азотом.
Они даже разработали конструкцию автомобиля,
в котором азот, расширяясь при испарении,
будет толкать три поршня двигателя. А
чтобы процесс испарения шёл активнее,
азот предлагают впрыскивать в особую
подогревательную камеру, где сжигается
небольшое количество дизельного топлива.
Такая схема при достаточной мощности
обеспечит запас хода до 500 км. Уголь является
самым распространенным из не возобновляемых
источников энергии. Ещё в 30-е годы в Германии
было налажено производство синтетического
автомобильного топлива из угля. Был даже
период, когда за счёт него удовлетворялось
около 50% потребности страны в бензине
и дизельном топливе.
Однако к 1953 году почти все установки по
получению синтетического топлива Европе
были закрыты из-за нерентабельности,
что объяснялось низкими ценами на импортируемую
нефть. В настоящее время интерес к синтетическому
топливу из угля проявляется во многих
странах.
В последнее время широкое распространение
получила идея использования чистого
водорода в качестве альтернативного
топлива. Интерес к водородному топливу
объясняется тем, что в отличие от других
это самый распространённый в природе
элемент.
Водород – один из главных претендентов
на звание топлива будущего. Для получения
водорода могут быть применены различные
термохимические, электрохимические и
биохимические способы с использованием
энергии Солнца, атомных и гидравлических
электростанций и т.д.
Экологические преимущества водорода
доказаны в ходе различных испытаний.
В каком виде можно применять водород?
Газообразный, даже сильно сжатый водород
невыгоден, так как для его хранения нужны
баллоны большой массы.
Более реальный вариант – использование
жидкого водорода. Правда, в этом случае
необходимо устанавливать дорогостоящие
криогенные баки со специальной термоизоляцией.[8]
Глава 2. Экспериментальное
исследование.
2.1. Презентация
№1. Экологический опыт.
Цель: визуально оценить загрязненность
снега на пришкольном участке МОУ СОШ
№26.
Проведение опыта: в чистые
банки набрали снег у дороги по улице Дзержинской
(рис.4, слева), в школьном саду (рис. 4, справа),
удаленном от проезжей магистрали. Поставили
банки в лаборантской комнате, дождались,
когда снег растает. Поместили рядом банку
с дистиллированной водой. Сравнили прозрачность
и чистоту воды во всех банках. Вода в банке
от проб, взятых у дороги, оказалась самой
мутной. Вода в банке от проб, взятых в
школьном саду, оказалась прозрачной,
но в ней плавали мелкие частицы. Визуально
самая чистая вода была в банке с дистиллированной
водой.
Профильтровали воду. После высыхания
фильтра рассмотрели внимательно находящиеся
на фильтре частички.
Частицы на фильтре от проб, взятых в школьном
саду, оказались растительного происхождения.
Они не наносят вред нашему здоровью.
Частицы на фильтре от проб, взятых у дороги,
оказались черными, вязкими, явно не растительного
происхождения.
|
|
|
Рис. 4. Пробы снега на различных
участках |
Вывод: Визуально отметили, что на
участках, расположенных близко от дороги,
идет загрязнение окружающей среды. [5]
2.2. Презентация
№2. Загрязнение воздуха выхлопными
газами автотранспорта.
Цель: определить количество выхлопных
газов, поступающих в атмосферу от автомашин.
Ход исследования.
Выбрали участок автодороги, расположенный
вблизи МОУ СОШ №26 (рис.5).
Рис. 5. Место проведения первого
экологического опыта
Подсчитали, сколько проехало по автодороге
за 1 ч легковых, грузовых машин, автобусов.
Используя данные таблицы 1, определили,
какое количество выхлопных газов в среднем
поступает в атмосферу за 1 ч (за сутки)
на этом участке дороги в зимнее время
при t= -2 0C.
Хим. соединения |
Грузовики |
Легковые |
Автобусы |
СО |
502,2 |
225,0 |
227,9 |
NО2 |
70,4 |
43,8 |
17,7 |
С |
19,3 |
- |
3,0 |
SО2 |
4,5 |
- |
0,7 |
Рb |
0,2 |
0,27 |
0,003 |
Таблица 1. Количество вредных
веществ, выбрасываемых в атмосферу одним
автомобилем в течение суток (г .)
За один час на участке дороги,
расположенной около МОУ СОШ №26, по улице
Дзержинского, выбрасывается в атмосферу
8255,476 г. вредных веществ. Расчеты проводились
по данным, полученным в разное время дня.
Эксперимент проводился трижды.
Полученные результаты сравнили с результатами,
полученными зимой в 2007 г, примерно при
таких же погодных условиях.
Хим. соединения |
Грузовики |
Легковые |
Автобусы |
СО |
1004 |
4687,5 |
114 |
NО2 |
139,2 |
912,5 |
8,88 |
С |
38,4 |
- |
1,5 |
SО2 |
9,12 |
- |
0,36 |
Рb |
0,384 |
6,1 |
0,6 |
Таблица 4. Количество вредных
веществ, выбрасываемых в атмосферу машинами,
проехавшими по участку в течение часа
(г.) (данные за 2007 г.)
За один час на участке дороги,
расположенной около МОУ СОШ №26, по улице
Дзержинского, выбрасывается в атмосферу
6922,5 г. вредных веществ в зимнее время
года. [7]
Примечание:за 1 сутки машины,
работающие на дизельном топливе, потребляют
за 1 ч работы столько кислорода, сколько
1000 человек.
Вывод: по улице Дзержинского происходит
увеличение загрязнение окружающей среды
выхлопными газами автомобильного транспорта.
По сравнению с 2007 годом загрязнение окружающей
среды в 2008 году увеличилось на 18,2%.
2.3. Презентация
№3. У светофора.
Цель работы: оценка и вычисление токсичных продуктов
от работы транспорта, характер их действия
на живые организмы и окружающую среду.
Место проведения: автотрасса,
перекресток-светофор у МОУ СОШ № 3 (Рис.6)
Рис. 5. Место проведения второго
экологического опыта
Приборы: часы с секундной стрелкой.
Подготовка к работе: в
справочной литературе нашли статистические
данные о составе выхлопных газов бензиновых
и тепловых двигателей. [1]
№ |
Компоненты выхлопных газов |
Бензиновые двигатели |
Дизельные двигатели |
1 |
Оксид углерода СО(II) |
0,035 |
0,017 |
2 |
Оксид углерода СО 2(IY) |
0,217 |
0,2 |
3 |
Оксиды азота (NО, NО2) |
0,002 |
0,001 |
4 |
Сажа |
0,04 |
1,1 |
Таблица 2. Состав выхлопных
газов бензиновых и дизельных двигателей
(г.)
Марки машин |
t |
n |
k |
m
СО |
m
СО2 |
m
NО2 |
m
сажи |
M,
г |
Легковые |
10 |
106 |
195 |
0,035 |
0,217 |
0,002 |
0,04 |
60769,8 |
Грузовые |
10 |
4 |
6 |
0,017 |
0,2 |
0,001 |
1,1 |
316,32 |
Автобус |
10 |
5 |
9 |
0,017 |
0,2 |
0,001 |
1,1 |
593,1 |
Время проведения эксперимента: Зима. При температуре t = – 20С.
Ход работы:
Определили число машин, останавливающихся
у светофора, -n=115