11 klasės metinis darbas apie vidaus degimo variklius
5 (100%) 1 vote

11 klasės metinis darbas apie vidaus degimo variklius

Mokslas ir automobilis

Lietuvos keliais važinėja daugiau kaip milijonas transporto priemonių. Į jas vienu metu laisvai gali susėsti ir iškeliauti po Europą visi Lietuvos gyventojai. Tačiau mažai kas iš sėdinčiųjų už vairo pagalvoja, kiek daug per daugelį šimtmečių padėta triūso, padaryta bandymų, sukurta mokslinių teorijų, kol automobilis pasiekė dabartinį patikimai tobulą mokslinį-techninį lygį. Kiek daug mokslinių kolektyvų dirba ir šiuo metu, kad galėtų tobulinti esamus variklio ir transmisijos mechanizmus, kurti iš esmės naujus jėgainių ir važiuoklių elementus.

Pabandysime trumpai supažindinti žurnalo skaitytojus kaip mokslas skverbėsi į automobilio gyvenimą per tris pastaruosius šimtmečius (1700-2000 m.) ir kaip būtų galima prognozuoti mokslo diegimus transporto technologijoje XXI amžiuje.Ratas atsirado prieš 6000 metų, vėjo varomas automobilis – prieš 400 metų, garo mašinos varomas prancūzų konstruktoriaus N.Ž.Kiunjo automobilis – prieš 230 metų, idealaus variklio teoriją prancūzų profesorius S.Karno sukūrė prieš 177 metus, o pagal ją vokiečių išradėjai N.Otas, K.Bencas, G.Daimleris, V.Maibachas ir R.Dyzelis paskutiniais XIX a. dešimtmečiais sukūrė veikiančius šiluminius vidaus degimo variklius ir jiems pritaikytus dviračius, triračius ir keturračius automobilius. Paskutiniaisiais XIX a. metais S.Peterburgo inžinierius G.Trinkleris patobulino R.Dyzelio variklį dyzelino įpurškimui vietoj oro kompresoriaus įrengęs didelio slėgio kuro siurblį. Tokie slėginio suspaudimo varikliai automobiliuose naudoti visą XX amžių.

Pirmoji S.Karno vidaus degimo variklių 1824 m. teorija nusakė svarbiausią teiginį, kad variklis gali veikti tik esant aukštos temperatūros degimo procesui ir žemos temperatūros šaltiniams (duslintuvui, radiatoriui), todėl naudingumo koeficientas niekada negali būti lygus vienetui. Įvertinus variklio nuostolius dėl siurblių, ventiliatoriaus naudojimo, trinties transmisijoje galutinis automobilio naudingumo koeficientas tėra apie 33 procentus. Taigi įpylus į baką 100 litrų benzino, tik 33 litrai suka ratus, kiti išsisklaido į aplinką kaip teršalai ir šilumos nuostoliai. Todėl per paskutinį XX a. dešimtmetį visų mokslininkų pastangos buvo sutelktos naudingumui padidinti ir išmetamų į atmosferą teršalų kiekiui sumažinti. Nors dabartinis 33 proc. naudingumo koeficientas yra ne toks mažas palyginti su pirmą kartą 1860 m. išbandytu garo mašinos pavidalo vidaus degimo varikliu, kai vietoj garo įleidžiant ir uždegant gamtines dujas bandytojui prancūzui Ž.E.Lenuarui dėl ne vietoje pastatytos mišinio uždegimo žvakės viduryje cilindro, o ne gale, pavyko pasiekti tik 0,4 proc. naudingumo koeficientą. Taigi mokslo ir eksperimentų dėka per 100 metų naudingumo koeficientas padidėjo beveik 100 kartų.

Vyresnio amžiaus vairuotojai prisimena XX a. vidurio automobilį “Pobieda” su 2 litrų 50 AG varikliu, sunaudojančiu iki 15 litrų benzino 100 km, o 2000 m. aplink pasaulį keliavęs serijinis automobilis VW Lupo su 1,1 litro 61 AG varikliu sunaudodavo vidutiniškai 2,5 litro dyzelino 100 km, t.y. per pastaruosius 50 metų mokslo laimėjimai padėjo sumažinti kuro sunaudojimą daugiau kaip 5 kartus esant panašiai variklio galiai. Nereikia pamiršti, kad atitinkamai sumažėja ir degimui reikalingas oro kiekis bei į atmosferą išmetamų teršalų. Gal ir mažai kas pagalvoja, kad dūmai su suodžiais padengia Centrinės Europos kalnų snieguotas viršūnes, jas greičiau tirpdo saulė ir sukelia anksčiau neregėtus potvynius Vokietijoje, Lenkijoje, Čekijoje.

Didžiuliai mokslo laimėjimai elektronikos, medžiagotyros, prietaisų pramonės srityse tuoj pat buvo pritaikyti automobiliuose. Tai ir elektroninio įpurškimo ESM valdomos sistemos, ir elektromagnetiniai uždegimo sistemų davikliai, ir siurbliai, reguliatoriai, plastmasinės lingės, ir t.t. Mokslas pakeitė net tokias nusistovėjusias sistemas, kaip akumuliatoriai: juose įrengiami ESM valdomi pašildytuvai ir maišytuvai šaltam variklio paleidimui, rengiamasi naudoti kondensatorius, o starterius ir generatorius – montuoti ant smagračių šitaip padidinant sukimo momentą ir apsaugant elektrines grandines nuo drėgmės važiuojant drėgnu keliu. Tokia elektrinė variklio paleidimo sistema įgalina pradėti važiuoti galinga kondensatorių baterija maitinamu iki 10 AG starteriu. Vadinasi, sumažės variklių triukšmas ir tarša prie šviesoforų.

Didžiulis mokslinis darbas atliekamas tobulinant degimo procesą cilindre virš stūmoklio. Ruošiant optimalų turbulentinį priešpriešinį kuro ir oro susimaišymą, įrengiant 3 įleidimo ir 2 išleidimo vožtuvus, įpurškiant benziną tiesiai į cilindrą už įleidimo vožtuvo (GDI – Gasoline Direct Injection), naudojant 2 žvakes arba uždegant kibirkštį tarp žvakės ir judančio stūmoklio pasiekiamas tobulas kuro sudegimas ir minimalus kenksmingų oksidų susidarymas kibirkštinio uždegimo varikliuose.

Dar įdomesni mokslo laimėjimai slėginio uždegimo varikliuose (neteisingai vadinamuose dyzeliniuose). Kad būtų gauti kuo mažesni rūko pavidalo dyzelino lašeliai, jie išpurškiami 200 MPa (2000 atmosferų) elektromagnetiniais siurbliais, atidarant kompiuteriu valdomu elektromagnetu kuro purkštuvą dviem etapais: iš pradžių per 0,001 sekundės be triukšmo uždegama 12,5 proc. dyzelino, paskui per
kitas 0,007 sekundės į degančią aplinką suleidžiamas ir visiškai sudeginamas likusis kuro kiekis. Dyzelis veikia taupiai, be dūmų ir triukšmo. Tokie TDI pavadinimo varikliai jau įstatomi Volksvagen, Škoda, Seat ir kai kuriuose kitų vokiečių bei amerikiečių firmų automobiliuose, jų pavyzdžiu paseks ir kitos firmos.

Iš esmės nauji mokslo laimėjimai bus diegiami automobiliuose ir ypač jų jėgainėse XXI amžiuje. Vaizdumo dėlei realiausi pasikeitimai pateikiami lentelėje.

Mažėjančios naftos ir dujų atsargos (užteks 50 metų!) bei didėjantys ekologiniai reikalavimai ir kainos privers daugiausia dėmesio skirti elektromobiliams. Jų visų maitinimui Lietuvoje reikės 10 kartų daugiau elektros energijos nei šiuo metu pagamintų visu galingumu veikiančios (kol kas politikų neuždarytos) atominė ir šiluminės elektrinės. Juk po 10-20 metų 1-2 milijonus Lietuvoje esančių automobilių pervedus į elektros trauką (po 20 kW galios kiekvienam) bus reikalinga elektrinių galia 40 000 000 kW. O iš kur juos paimsi, kai arabai naftos jau neturės? Net pakeitus uždaromą IAE trigubai galingesne, susidarytų 2 kartus mažesnė galia negu reikia. Taigi jauniems Lietuvos politikams dabar pats laikas mokytis aritmetikos, nes teks šimteriopai atstatyti dabartinių nemokančių skaičiuoti politikų griuvėsius, priešingu atveju visiems teks važinėti oranžiniais dviračiais, ką pranašingai numatė jaunieji Vilniaus miesto vadovai.

Lentelės viršuje parodyta, kad XXI a. Lietuva neapsieis be nepavojingos valdomos termobranduolinės elektrinės, o jos veikimui reikalingo sunkiojo vandens (deuterio) atsargos pasaulyje neribotos (lentelės paskutinė eilutė). 1 litras deuterio tolygus 300 litrų benzino, o pasaulinių atsargų užteks 10 milijardų metų!

Kaip matyti iš lentelės, šiuo pereinamuoju laikotarpiu didžiausias mokslininkų dėmesys krypsta į vandenilį naudojančius vidaus degimo variklius ir tobulesnius kuro elementus, tiesiogiai chemiškai be degimo gaminančius elektros energiją 60 proc. naudingumu. Vandenilis bus laikomas kuro bakuose esančiose intermetalidų (75 proc. FeTiH ir 25 proc. Mg3NiHx) kapsulėse, sugeriančiose jo iki 1000 kartų didesnį tūrį (mokslas!). Panaudojus moderniausius elektrinius akumuliatorius mieste galima bus visiškai likviduoti taršą, o tarpmiestiniams pasivažinėjimams naudoti hibridinius variklius. Juose, be akumuliatoriaus ir elektros variklio, įrengiamas nedidelis, užmiestyje automatiškai pasileidžiantis, ekonomiškas vidaus degimo varilis. Tarša minimali.

Tokie automobiliai jau keleri metai gaminami Japonijoje, Amerikoje, Prancūzijoje. Vienas iš jų – Toyota Prius buvo demonstruotas 2001 m. rudenį įvykusioje automobilių parodoje Kaune. Tokiam hibridiniam automobiliui gali būti naudojamas ir Lietuvoje gaminamas rapsų ar grūdų kuras, juolab kad jo reikia tik 1-2 l/100km.

Lentelėje, be elektrinių akumuliatorių, pateikti mechaniniai akumuliatoriai. Tai labai perspektyvus mokslo laimėjimas visuomeniniams miesto, priemiesčių ir tarpmiestiniam transportui, taip pat priemiestinėms automatricoms.

Šiuo metu Vilniuje svarstomi prieš kelis šimtus metų atrasto ir Kaune naudoto “Konkės” pavadinimu tramvajaus įrengimo projektai. Dėl jo metalinių ratų sukeliamų vibracijų neigiamo poveikio pastatams, siaurų gatvių užgriozdinimo, laidų kibirkščiavimo ir kitų neigiamų savybių galima tik kritiškai juos vertinti.

Reikia vėl susidomėti naujausiais šios srities mokslo laimėjimais – mechaniniais akumuliatoriais – iš plonų vielų ar folgos susuktais, avarijų atvejais nepavojingais smagračiais. Lietuvos mokslininkai ir konstruktoriai visiškai pajėgūs tokius įrengimus sukurti ir panaudoti vietoj dabartinių nepaslankių ir netobulų troleibusų.

Kaip tokie elektra pakraunami mechaniniai akumuliatoriai gali būti naudojami troleibusuose, automatricose, priemiesčio transporte, gerai matyti iš 1 paveikslėlio. Sustojus stotelėje smagratis įsukamas nuo kintamosios 380 V elektros srovės transformuojamu elektros varikliu, kuris atsijungęs nuo tinklo tampa generatoriumi ir smagračio energiją perduoda ratams veždamas keleivius iki 10 km atstumu, pvz., per visą Laisvės prospektą Vilniuje. Esant atstumui tarp stotelių 1-2 km kiekvieną kartą, kol keleiviai išlipa ir įlipa, smagratis papildomai įsukamas ir šitaip gali važiuoti neribotą atstumą. Nereikia brangių nuolatinės srovės pastočių su aptarnaujančiuoju personalu, storo vario trolėjų su nutrūkstančiu ir stabdančiu visus troleibusus ryšiu (arba pavogtais laidais). Už jų judantis paprastas transportas su veikiančiais vidaus degimo varikliais kamščių metu daugiau teršia nei troleibusai grynina, o jei sustos siauroje gatvėje 10 tramvajų nutrūkus nuolatinei srovei? Mokslininkai tokiai atgyvenai niekuo nepadės. O girobusas su mechaniniu akumuliatoriumi gali puikiausiai apvažiuoti aplinkine gatve 10 km iki kito turinčio kintamąją elektros srovę stovo. Naudojant mechaninę jėgainę (1c pav.) siūlomoje priekaboje, šiai sugedus pakanka per kelias minutes prikabinti kitą, atsarginę, su įsuktu smagračiu ir važiuoti toliau. Viskas labai paprasta ir viską galima sukonstruoti, pagaminti Lietuvoje buvusioje “Pergalės” ir Tankų remonto gamykloje Kaune. Tik padangas tektų įsivežti.

Plečiantis pasaulinei automobilių pramonei (metinė gamyba siekia 40 milijonų), padidėjo
rinkos konkurencija ir daugelio originalių mokslo laimėjimų nebuvo galima įgyvendinti. Atsirado gamybą supaprastinantys ir atpiginantys, tačiau nepatogūs ir brangūs vairuotojams technologiniai sprendimai, įmantrūs išorinio dizaino atributai bei elektroniniai efektai. Tai ypač būdinga naujai atsirandančioms ir greit bankrutuojančioms firmoms, kurios stengiasi pateisinti savo produkciją didelėmis išlaidomis reklamai. Tai akivaizdu stebint subjektyvius metų automobilio rinkimus. Jų gaminami automobiliai kasmet keičia išorę, variklio konstrukcijas ir, žinoma, negali būti ilgaamžiai. Jie atitinka trumpalaikio naudojimo “šratinuko” įvaizdį, tuo tarpu solidūs žmonės mėgsta naudotis “amžinuoju parkeriu” (mercedesais, rolsroisais, audėmis ir pan.).

Tokiais pavyzdžiais galima laikyti technologijai naudingą, bet valdymui pavojingą skersinį variklio pastatymą priekyje su priekiniais varančiaisiais ratais ir “saugos sistemas” su nuo mažiausio prisilietimo subyrančiais brangiais plastmasiniais buferiais, ir aptakias užpakalines kėbulo dalis, kai keleiviams ne tik sunku įlipti, bet ir sėdint galvą reikia pataikyti į viršuje padarytą įdubimą (pvz., naujajame Audi-6). Rimtos firmos dažniausiai išvengia šių brangių reklaminių triukų, naudojasi mokslo laimėjimais, todėl jų automobiliai net po kelerių metų eksploatacijos išlaiko savo vertę, o po 30-40 metų jų kaina padidėja dešimteriopai. Autoriui žinomas atvejis, kai po pusės metų eksploatacijos Lietuvoje niekaip nesisekė parduoti vieno Rytų šalies automobilio, nors garantija galiojo metams……

Mokslo laimėjimų įtaka transporto technologijų plėtrai nesustos niekada. Be transporto neįmanoma jokia civilizacija, jokios katastrofų, taip pat ir karų likvidavimo priemonės, neįmanoma nei aviacija, nei susisiekimas jūromis. O šiose srityse, mažėjant ir brangstant organinio kuro atsargoms pasaulyje, mokslo laimėjimų naudojimas gyvenimo reikmėms neišvengiamas.

Alternatyvieji degalai vidaus degimo varikliuose

Pasaulyje kasmet didėja energijos poreikiai, tačiau kuro ir kiti energijos ššaltiniai vis senka, todėl būtina racionaliai bei taupiai naudoti turimas atsargas, taip pat ieškoti galimybių naujiems energijos ištekliams panaudoti. Keičiantis techninėms ir ekonominėms sąlygoms transporto energetikoje, pamažu didės gamtinių dujų, sunkiųjų naftų ir bitumų, anglių, degiųjų klinčių, biomasės ir kitų netradicinių žaliavų šaltinių vaidmuo vidaus degimo variklių degalų gamyboje. Manoma, kad daugiausia naftos produktų pasaulyje bus sunaudojama 2005 metais. Paskui naftos produktų naudojimas ims staigiai mažėti, nes padidės alternatyviųjų degalų naudojimas. Tikimasi, kad alternatyvieji degalai įvairiose transporto rūšyse pasiskirstys taip: automobilių transporte – sintetiniai degalai, alkoholiai, vandenilis, dujos ir elektros energija; geležinkelio transporte – elektros energija; vandens transporte – akmens anglys ir atominis kuras; oro transporte – sintetiniai degalai, vandenilis ir atominis kuras.

Pagrindinis energijos išteklių taupymo mūsų šalies transporte tikslas – žymiai sumažinti naftos produktų sunaudojimą, nes kone visa nafta importuojama. Mažėjant naftos degalų sunaudojimui transporte proporcingai gerėtų ir ekologinė padėtis, ypač didžiuosiuose Lietuvos miestuose.

Perspektyvus automobilių transporte skystųjų naftos produktų sąnaudų mažinimo būdas yra alternatyviųjų degalų naudojimas vidaus degimo varikliuose. Alternatyvieji degalai – tai ne iš tradicinių išteklių gaunami skystieji ir dujiniai degalai.

Pagal fizines ir chemines savybes bei saugojimo sąlygas transporto priemonių variklių alternatyvieji degalai gali būti skirstomi į 3 grupes:

1. Naftiniai degalai su nenaftinės kilmės priedais. Šie priedai – tai deguonies turintys junginiai: spiritai ir esteriai, vandens bei degalų emulsijos. Pagal eksploatacines savybes šie degalai yra artimi iš naftos distiliuotiems degalams.

2. Sintetiniai (dirbtiniai) skystieji degalai savo savybėmis artimi tradiciniams naftos degalams. Jie gaunami perdirbant skystąją, dujinę arba kietąją žaliavą. Šiai grupei galima priskirti benzininius, reaktyvinius, dyzelinius ir dujų degalus, gaunamus iš sunkiųjų naftos produktų, gamtinių bitumų, anglių, degiųjų klinčių, metanolio, taip pat degalus, gaunamus tiesiogine CO ir H2 sinteze.

3. Nenaftiniai degalai, kurie fizinėmis ir cheminėmis eksploatacinėmis savybėmis, o kartais ir agregatine būsena visiškai skiriasi nuo tradicinių degalų. Šiai grupei priskiriami spiritai, kai naudojami gryni (metanolis, etanolis), ir jų mišiniai su aukštesniaisiais spiritais (eteriais), taip pat dujiniai degalai – gamtinės suslėgtosios arba skystosios dujos, skystosios naftos dujos (propanas, butanas), amoniakas, vandenilis, generatorinės ir dirbtinės dujos.

Daugelis alternatyviųjų degalų savo fizinėmis, cheminėmis ir eksploatacinėmis savybėmis labai skiriasi nuo tradicinių benzininių ir dyzelinių degalų, todėl norint juos praktiškai pritaikyti reikės keisti variklių technines charakteristikas ir pačios transporto priemonės eksploatavimą.

Kadangi Lietuva beveik visiškai priklauso nuo naftos importo, taupant jos sąnaudas, tikslinga naftinės kilmės degalus pakeisti kitais, iš vietinių atsinaujinančių išteklių išgaunamais degalais.
tinkamiausių mūsų gamtinėms ir ekonominėms sąlygoms alternatyviųjų degalų yra iš biomasės išgaunamas etilo spiritas.

Vilniaus Gedimino technikos universitete Automobilių transporto katedroje pagal Panevėžio spirito gamyklos akcinės bendrovės “SEMA” užsakymą buvo atlikti spirito gamybos atliekų pritaikymo vidaus degimo variklių degalams teoriniai ir eksperimentiniai (laboratoriniai) tyrimai. Šių tyrimų tikslas – teoriškai ir eksperimentiškai ištirti spiritinių degalų naudojimo vidaus degimo varikliuose galimybes, nustatyti optimalią benzino ir etanolio mišinio sudėtį ir įvertinti galingumo, ekonomiškumo bei ekologinius rodiklius.

Buvo išnagrinėti spiritinių degalų (alkoholių) panaudojimo vidaus degimo varikliuose trūkumai ir pranašumai palyginti su degalais, pagamintais iš naftos. Alkoholių privalumai šie:

– didelis oktaninis skaičius (110–115 tiriamuoju metodu);

– plačios užsiliepsnojimo ribos;

– didelis liepsnos greitis;

– didelė garavimo šiluma, didinanti tūrinį kaitringumą;

– mažesnis išmetamų deginių toksiškumas;

– suodžių nuosėdų nesusidarymas cilindruose;

– tirpumas vandenyje.

Didžiausi trūkumai tokie:

– mažas cetaninis skaičius (3–8);

– didelis sočiųjų garų slėgis (nors tai gali būti kaip privalumas mažinant garavimo nuostolius);

– didelė garavimo šiluma, apsunkinanti variklio paleidimą;

– padidėjęs formaldehidų kiekis deginiuose;

– grynų alkoholių garų uždarose patalpose sprogimo galimybė.

Alkoholių molekulių deguonies atomai yra kur kas mažesnės molekulinės masės, todėl geriau sudega ir mažiau tarpinių medžiagų išskiria.

Etilo ir metilo spiritų tūrio vienetas energijos išskiria daugiau už kitų rūšių alternatyviuosius degalus.

Kadangi spiritiniai degalai yra didelio oktaninio skaičiaus, tikslingiau juos naudoti kibirkštinio uždegimo varikliuose. Naudojant spiritinius degalus galima padidinti oro ir degalų mišinio slėgį prieš uždegimą, oro ir degalų santykį bei liepsnos plitimo greitį. Dėl to gerėja variklių efektyvumas. Norint kuo geriau išnaudoti antidetonacines spiritų savybes ir pritaikyti variklį grynam spiritui, reikia padidinti variklio suspaudimo laipsnį iki 12–14. Pagrindinis alkoholių trūkumas – didelė garavimo šiluma ir mažas sočiųjų garų slėgis, apsunkinantis variklio paleidimą. Etanolio šios eksploatacinės savybės yra geresnės nei metanolio. Kad variklio paleidimas palengvėtų, į spiritus įmaišoma 6–8 proc. dimetilo eterio, kuris užtikrina normalų variklio paleidimą esant –250C temperatūrai.

Naudojant alkoholius kaip variklio degalus, sumažėja kenksmingų medžiagų kiekis išmetamuose deginiuose. Dėl žemesnės degimo temperatūros variklio cilindre susidaro iki 10 proc. mažiau azoto oksidų.

Kadangi alkoholiuose yra degimo procese dalyvaujančio deguonies, vyksta tobulesnė degimo reakcija ir susidaro mažiau negalutinio degimo deginių – anglies monoksido CO ir angliavandenilių CH. Tačiau išmetamuosiuose deginiuose padidėja aldehidų kiekis, ir jis didėja didėjant spirito koncentracijai mišinyje. Veikiant grynu spiritu varomam varikliui aldehidų išmetama 2–4 kartus daugiau nei varant variklį benzinu.

Nuo grynų spiritų smarkiau šyla variklių cilindro ir stūmoklio grupės detalės, nes ant cilindro sienelių patenka nemažai neišgaravusių degalų, kurie nuplauna nuo sienelių alyvą, ir ant besitrinančių paviršių susidaro spirito ir alyvos emulsija. Alkoholis veikia alyvos priedus ir sumažina jų efektyvumą.

Šiuo metu Jūs matote 31% šio straipsnio.
Matomi 2768 žodžiai iš 9066 žodžių.
Peržiūrėkite iki 100 straipsnių per 24 val. Pasirinkite apmokėjimo būdą:
El. bankininkyste - 1,45 Eur.
Įveskite savo el. paštą (juo išsiųsime atrakinimo kodą) ir spauskite Tęsti.
SMS žinute - 2,90 Eur.
Siųskite sms numeriu 1337 su tekstu INFO MEDIA ir įveskite gautą atrakinimo kodą.
Turite atrakinimo kodą?
Po mokėjimo iškart gausite atrakinimo kodą, kurį įveskite į laukelį žemiau:
Kodas suteikia galimybę atrakinti iki 100 straispnių svetainėje ir galioja 24 val.