Химический подход к увеличению мощности двигателя внутреннего сгорания

Министерство  образования и науки Республики Казахстан

Управление  образования Карагандинской области 

Областная специализированная школа-интернат для одаренных детей  «Мурагер»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Химический подход к увеличению мощности двигателя внутреннего сгорания.

 

 

 

Выполнил: ученик 8 Д кл

Хасенханов  А.М.

                                                           Руководитель: к. х. н. Хамзина Г. Т.

                                                           Предмет: Химия

 

 

 

Караганда - 2011 
Содержание

 

Введение..................................................................................................................3

1. Принципы работы  двигателя внутреннего сгорания………………………..5

2.Химический подход к увеличению мощности ДВС......................................10

2.1. Топливо и его  химические реакции при сгорании……………………….10

2.2.Что такое октановое  число? Как влияет октановое  число бензина на качество  работы двигателя………………………………………………….......12

2.3. Оксид азота –  N₂O………………………………………………………......14

Заключение............................................................................................................15

Список использованной литературы…………………………………………...17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Двигатель внутреннего  сгорания, его создание изменило наш  мир. Появились машины, самолеты и другие средства передвижения. Если не было бы ДВС, то сейчас мы ездили бы на повозках или на чем-то другом. Одно ясно, если не было бы ДВС, мир был бы другим.

Проект первого двигателя  внутреннего сгорания (ДВС) принадлежит известному изобретателю часового анкера Христиану Гюйгенсу и предложен ещё в XVII веке. Интересно, что в качестве топлива предполагалось использовать порох, а сама идея была подсказана артиллерийским орудием. Все попытки Дениса Папена (создатель первой паровой машины) построить машину на таком принципе, успехом не увенчались. Первый надёжно работавший ДВС сконструировал в 1860 году французский инженер Эжен Ленуар. Двигатель Ленуара работал на газовом топливе. Спустя 16 лет немецкий конструктор Николас Отто создал более совершенный 4-тактный газовый двигатель. В этом же 1876 году шотландский инженер Дугальд Кларк испытал первый удачный 2-тактный двигатель. Совершенствованием ДВС занимались многие инженеры и механики. Так, в 1883 году немецкий инженер Карл Бенц изготовил использованный им в дальнейшем

2-тактный ДВС. В 1897 году его соотечественник и тоже инженер Рудольф Дизель предложил ДВС с воспламенением рабочей смеси в цилиндре от сжатия воздуха, названный впоследствии дизелем.

В XX веке ДВС стал основным двигателем в автомобильном транспорте. В 70-х годах почти 80 % суммарной мощности всех существовавших ДВС приходилось на транспортные машины (автомобили, трактора и пр.). Параллельно шло совершенствование гидротурбин, применявшихся на гидроэлектростанциях. Их мощность в 70-х годах XX века превысила 600 МВт. В первой половине XX века создали новые типы первичных двигателей: газовые турбины, реактивные двигатели, а в 50-х и ядерные силовые установки. Процесс совершенствования и изобретения первичных двигателей продолжается.

Внутренней энергией обладают все тела – земля, камни, облака. Однако извлечь их внутреннюю энергию довольно трудно, а порой и невозможно. Наиболее легко на нужды человека может быть использована внутренняя энергия лишь некоторых, образно говоря, "горючих" и "горячих" тел. К ним относятся: нефть, уголь, горячие источники вблизи вулканов, теплые морские течения и т.п.

Целью моей курсовой работы является анализ работы ДВС и влияние химических факторов его мощность.

Отсюда вытекают следующие задачи:

1. Изучение принципов  работы ДВС.
2. Химические факторы и их влияние  на его мощность ДВС.

Актуальность данной темы заключается в том, что двигатели внутреннего сгорания играют важную роль в жизни человечества.  
Применение двигателей внутреннего сгорания чрезвычайно разнообразно: они приводят в движение самолеты, теплоходы, автомобили, тракторы, тепловозы. Мощные двигатели внутреннего сгорания устанавливают на речных и морских судах. Несмотря на то, что двигатели внутреннего сгорания являются весьма несовершенным типом тепловых машин (низкий КПД, громкий шум, токсичные выбросы, меньший ресурс) благодаря своей автономности (необходимое топливо содержит гораздо больше энергии, чем лучшие электрические аккумуляторы) двигатели внутреннего сгорания очень широко распространены, например на транспорте.

 

 

 

 

1. Принципы  работы двигателя внутреннего  сгорания

Дви́гатель вну́треннего сгора́ния (сокращённо ДВС)— это тип двигателя, тепловой машины, в которой химическая энергия топлива (обычно применяется жидкое или газообразное углеводородное топливо), сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую работу.

Несмотря на то, что ДВС относятся к относительно несовершенному типу тепловых машин (громоздкость, сильный шум, токсичные выбросы и необходимость системы их отвода, относительно небольшой ресурс, необходимость охлаждения и смазки, высокая сложность в проектировании, изготовлении и обслуживании, сложная система зажигания, большое количество изнашиваемых частей, высокое потребление горючего и т.д.), благодаря своей автономности (используемое топливо содержит гораздо больше энергии, чем лучшие электрические аккумуляторы), ДВС очень широко распространены, — например, на транспорте.

 Рассмотрим основные виды  двигателей.

Поршневые двигатели — камерой сгорания является цилиндр, где химическая энергия топлива превращается в механическую энергию, которая из возвратно-поступательного движе-ния поршня превращается во вращатель-ную с помощью кривошипно-шатунного механизма.

ДВС классифицируют:

а) По назначению - делятся  на транспортные, стационарные и специальные.

б) По роду применяемого топлива - легкие жидкие (бензин, газ), тяжелые  жидкие (дизельное топливо).

в) По способу образования горючей смеси - внешнее (карбюратор) и внутреннее у дизельного ДВС.

г) По способу воспламенения: либо искра, либо сжатие.

д) По числу и расположению цилиндров  разделяют рядные, горизонтальные, вертикальные, V-образные, оппозитные.

Бензиновые двигатели. Бензиновые карбюраторные

Смесь топлива с воздухом готовится в карбюраторе и далее во впускном коллекторе при помощи распыляющих форсунок (механических или электрических), далее смесь подаётся в цилиндр, сжимается, а затем поджигается при помощи искры, проскакивающей между электродами свечи. Основная характерная особенность топливо-воздушной смеси в этом случае – её гомогенизированность.

Бензиновые инжекторные. Также, существует способ смесеобразования путем непосредственного впрыска бензина в цилиндр при помощи распыляющих форсунок (инжектор). Горючая смесь - в этом случае - образуется уже непосредственно в цилиндре.

Циклы работы поршневых ДВС

Поршневые двигатели  внутреннего сгорания классифицируются по количеству тактов в рабочем цикле на двухтактные и четырёхтактные.

Рабочий цикл в поршневых двигателях внутреннего сгорания состоит из пяти процессов: впуска, сжатия, сгорания, расширения и выпуска. В двигателе  рабочий цикл может быть осуществлен  по следующей широко применяемой  схеме:

1. В процессе впуска  поршень перемещается от верхней мертвой точки (в.м.т.) к нижней мертвой точке (н.м.т.), а освобождающееся надпоршневое пространство цилиндра заполняется смесью воздуха с топливом. Из-за разности давлений во впускном коллекторе и внутри цилиндра двигателя при открытии впускного клапана смесь поступает (всасывается) в цилиндр в момент времени, называемый углом открытия впускного клапана φ.

Воздушно-топливная смесь и продукты сгорания (всегда остающиеся в объеме пространства сжатия от предыдущего  цикла), смешиваясь между собой, образуют рабочую смесь. Тщательно приготовленная рабочая смесь повышает эффективность сгорания топлива, поэтому ее подготовке уделяется большое внимание во всех типах поршневых двигателей.

Количество воздушно-топливной  смеси, поступающее в цилиндр  за один рабочий цикл, называется свежим зарядом, а продукты сгорания, остающиеся в цилиндре к моменту поступления в него свежего заряда — остаточными газами.

Чтобы повысить эффективность  работы двигателя, стремятся увеличить  абсолютную величину свежего заряда и его весовую долю в рабочей смеси.

        Схема работы четырехтактного двигателя, (цикл Отто)

        1. впуск        2. сжатие        3. рабочий ход        4. выпуск

2. В процессе сжатия  оба клапана закрыты и поршень,  перемещаясь 

от н.м.т. к в.м.т. и  уменьшая объем надпоршневой полости, сжимает рабочую смесь (в общем  случае рабочее тело). Сжатие рабочего тела ускоряет процесс сгорания и  этим предопределяет возможную полноту использования тепла, выделяющегося при сжигании топлива в цилиндре.

Двигатели внутреннего  сгорания строятся с возможно большей  степенью сжатия, которая в случаях  принудительного зажигания смеси  достигает значения 10—12, а при использовании принципа самовоспламенения топлива выбирается в пределах 14—22.

3. В процессе сгорания  происходит окисление топлива  кислородом воздуха, входящего  в состав рабочей смеси, вследствие  чего давление в надпоршневой  полости резко возрастает.

В рассматриваемой схеме рабочая смесь в нужный момент вблизи в.м.т. поджигается от постороннего источника с помощью электрической искры высокого напряжения (порядка 15 кв). Для подачи искры в цилиндр служит свеча зажигания, которая ввертывается в головку цилиндра.

Для двигателей с воспламенением топлива от тепла, выделяющегося  от предварительно сжатого воздуха, запальная свеча не нужна. Такие  двигатели снабжаются специальной  форсункой, через которую в нужный момент в цилиндр впрыскивается  топливо под давлением в 100 ÷ 300 кГ/см² (≈ 10—30 Мн/м²) и более.

4. В процессе расширения  раскаленные газы, стремясь расшириться,  перемещают поршень от в.м.т.  к н.м.т. Совершается рабочий  ход поршня, который через шатун  передает давление на шатунную  шейку коленчатого вала и проворачивает его.

5. В процессе выпуска  поршень перемещается от н.м.т.  к в.м.т. и через второй открывающийся  к этому времени клапан, выталкивает  отработавшие газы из цилиндра. Продукты сгорания остаются только  в объеме камеры сгорания, откуда  их нельзя вытеснить поршнем. Непрерывность работы двигателя обеспечивается последующим повторением рабочих циклов.

Процессы, связанные с  подготовкой рабочей смеси к  сжиганию ее в цилиндре, а также  освобождением цилиндра от продуктов  сгорания, в одноцилиндровых двигателях осуществляются движением поршня за счет энергии маховика, которую он накапливает в процессе рабочего хода.

В многоцилиндровых двигателях вспомогательные ходы каждого из цилиндров выполняются за счет работы других (соседних) цилиндров. Поэтому  эти двигатели в принципе могут работать без маховика.

Для удобства изучения рабочий  цикл различных двигателей расчленяют на процессы или, наоборот, группируют процессы рабочего цикла с учетом положения поршня относительно мертвых  точек в цилиндре. Это позволяет все процессы в поршневых двигателях рассматривать в зависимости от перемещения поршня, что более удобно.

Часть рабочего цикла, осуществляемая в интервале перемещения поршня между двумя смежными мертвыми точками, называется тактом.

Такту, а следовательно, и соответствующему ходу поршня присваивается название процесса, который является основным при данном перемещении поршня между двумя его мертвыми точками (положениями).

В двигателе каждому  такту (ходу поршня) соответствуют, например, вполне определенные основные для них процессы: впуск, сжатие, расширение, выпуск. Поэтому в таких двигателях различают такты: впуска, сжатия, расширения и выпуска. Каждое из этих четырех названий соответственно присваивается ходам поршня.

В любых поршневых  двигателях внутреннего сгорания рабочий цикл складывается из рассмотренных выше пяти процессов по разобранной выше схеме за четыре хода поршня или всего за два хода поршня. В соответствии с этим поршневые двигатели подразделяют на двух- и четырехтактные.

Дополнительные  агрегаты, требующиеся для ДВС

Недостатком ДВС является то, что он производит высокую мощность только в узком диапазоне оборотов. Поэтому неотъемлемыми атрибутами двигателя внутреннего сгорания являются трансмиссия и стартёр. Лишь в отдельных случаях (например, в самолётах) можно обойтись без сложной трансмиссии. Постепенно завоёвывает мир идея гибридного автомобиля, в котором мотор всегда работает в оптимальном режиме.

Также ДВС нужны топливная система (для подачи топливной смеси) и выхлопная система (для отвода выхлопных газов).

 

2.Химический  подход к увеличению мощности  ДВС

2.1. Топливо и его химические реакции при сгорании

 В ДВС очень большое  значение  имеет топливо и его химические реакции при сгорании.

В ДВС тепловая энергия, необходимая для совершения механической работы, получается в результате химических реакций между вводимым в цилиндр топливом и кислородом воздуха. Время протекания реакции – сотые и тысячные доли секунды. Длительность процесса подготовки смеси топлива с воздухом к химической реакции зависит от типа смесеобразования и тактности двигателя.