Интегрированный урок (деловая ролевая игра).
10 класс
ОСНОВЫ ПРИНЦИПА РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Тип урока: деловая ролевая игра.
Интеграция предметов: физика — экология —химия.
Ход урока
Учитель. Ребята, всем хорошо известно, что в настоящее время самым распространенным видом тепловых двигателей является двигатель внутреннего сгорания (ДВС). На нем мы и остановимся подробно сегодня. Урок будет проходить в виде деловой ролевой игры.
(Все задействованные в ролевой игре учащиеся садятся по своим местам.)
Секретарь-референт. Год назад наше строительное объединение «Автотрансстрой» совместно с фирмой «Даймлер-Бенц» из Германии сдало в эксплуатацию в нашем городе завод по производству двигателей внутреннего сгорания и деталей. И вот корреспондент газеты «Нью-Йорк Таймс» решил взять интервью у представителей завода через 12 месяцев после его пуска. Мы находимся в актовом зале этого завода. Здесь присутствуют (представляет сидящих полукругом людей):
1) Директор завода-
2) Главный инженер
3) Заместитель главного инженера...
4) Главный конструктор...
5) Технолог-химик...
6) Эколог...
7) Историк заводского музея...
8) Корреспондент газеты «Нью-Йорк Таймс»
Итак, начинаем работу.
Иностранный корреспондент. Газету, которую я представляю, интересует принцип работы поршневых тепловых двигателей и перспективы вашего завода. Но вначале я хотела бы взять интервью у историка. (Историк приподнимается на месте и кивает). Госпожа..., не могли бы вы дать маленькую историческую справку: когда и где появились первые автомобили с двигателями внутреннего сгорания?
Историк. Первый ДВС построил француз Этьен Ленуар, это было в 1860 году. Вскоре еще 416 изобретений претендовали на патент, однако его выдали почти одновременно в 1886 году немецким механикам Готлибу Даймлеру и Карлу Бенцу, которые изобрели бензиновые двигатели внутреннего сгорания. Они-то и стали применяться в первых автомобилях. Интересно, что при жизни изобретатели так и не познакомились, хотя жили недалеко друг од друга и работали над одной проблемой. Но созданным ими фирмам суждено было в 20-х годах XX столетия слиться в известную ныне всем автомобильную компанию «Даймлер-Бенц», с которой мы ныне сотрудничаем.
Иностранный корреспондент. Госпожа... А кто в России сконструировал первый тепловой двигатель? Известно ли это?
Историк. Да. В России проект бензинового двигателя появился в 1879 году. Создал его капитан морского флота Костович . КПД двигателя был около 22%, мощность 60 кВт, и предназначался он для дирижабля.
Первый отечественный автомобиль был создан в 1896 г., построен в Петербурге Яковлевым и Фрезе. Это автомобиль с одноцилиндровым двигателем, модель которого есть в нашем заводском музее.
Директор завода. Вам представится возможность побывать в заводском музее, где собрана коллекция моделей старинных отечественных автомобилей.
Иностранный корреспондент. . Благодарю вас. Мне бы хотелось теперь взять интервью у главного инженера завода, господина... Не могли бы вы объяснить принцип работы ДВС, выпускаемого на вашем заводе?
Главный инженер. Мы производим четырехтактный двигатель внутреннего сгорания. Один рабочий цикл двигателя включает в себя четыре хода поршня, или как говорят, четыре такта (см. рисунок).
[pic]
Иностранный корреспондент. I see. — Понятно.
Главный инженер. У нас есть диафильм, который поможет вам лучше представить работу нашего двигателя. (Включает диапроектор, инженер комментирует несколько кадров. Поясняет рабочий цикл, представленный в виде графика (см. ниже).
АВ — I такт — впуск.
ВС, CD — II такт — сжатие.
DE — III такт — рабочий ход.
ЕВ — IV такт — выпуск.
[pic]
Иностранный корреспондент. . Благодарю Вас, господин главный инженер. Все стало понятно, особенно мне помогла диаграмма. Сейчас в мире проблема с топливом. Его надо экономить. Как решается эта проблема при производстве ваших двигателей?
Главный инженер. Экономичность ДВС зависит от степени сжатия рабочей смеси в цилиндре перед ее воспламенением: чем выше сжатие, тем больше КПД. Однако в карбюраторных ДВС горючую смесь можно сжимать только до определенного предела, так как сжатие сопровождается сильным нагревом. Например, при давлении выше 6 · 105 Па температура смеси достигает 400 °С. При такой температуре нефть, керосин, бензин легко воспламеняются: происходит взрыв (детонация), который нарушает работу двигателя и даже может вывести его из строя.
Иностранный корреспондент. Благодарю вас. Позвольте мне задать несколько вопросов заместителю главного инженера госпоже... Не ведете ли вы работу по созданию бездетонационного двигателя?
Зам. гл. инженера. Нет, не ведем. Такие двигатели уже созданы. Бездетонационное сгорание топлива удачно осуществил немецкий инженер Рудольф Дизель в своем двигателе — дизеле, изобретенном в 1897 году. В дизеле сжатию до 3,5 ·106 Па подвергается не горючая смесь, а воздух, причем его температура поднимается до 700 °С, то есть до значения, достаточного для самовоспламенения любого жидкого горючего: нефти, мазута. Поэтому в дизеле нет
специального приспособления для зажигания горючей смеси — запальной свечи.
Иностранный корреспондент. Простите, госпожа... А как подается топливо?
Зам. гл. инженера. Топливо — горючая жидкая смесь из нефти, солярки с помощью форсунки впрыскивается внутрь цилиндра и распыляется, смешиваясь там с раскаленным воздухом. По мере поступления оно самовоспламеняется, постепенно сгорая. Образующиеся продукты сгорания расширяются и двигают поршень.
Иностранный корреспондент.. Что можно сказать о КПД дизеля?
Зам. гл. инженера. Так как рабочее тело (воздух) в цилиндре дизеля сжимается до более высокого давления, чем в ДВС, то КПД дизеля оказывается выше.
Иностранный корреспондент. А рабочий цикл четырехтактного двигателя такой же, как у ДВС?
Зам. гл. инженера. Не совсем. У него есть свои особенности. Сейчас их объясню. Позвольте сделать это с помощью графика.
[pic]
АВ — I такт — впуск.
ВС — II такт — сжатие.
CD, DE — III такт — рабочий ход.
ЕВ — IV такт — выпуск.
Вам ясно?
Иностранный корреспондент. И да, и нет. Я поняла, что у ДВС и у дизеля четыре такта: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск. А диаграммы у них разные. Отчего? Что дает это отличие? Я не совсем поняла.
Главный инженер. Позвольте мне пояснить. У всех типов четырехтактных двигателей названия тактов одинаковые, но происходящие физические процессы разные. Обратите внимание на процесс увеличения давления: у ДВС он идет в два этапа — изотерме ВС и изохоре CD, а у дизеля — в один этап: давление более резко возрастает по адиабате ВС'. И процессы расширения разные: у ДВС он осуществляется только по адиабате DE, а у дизеля в два приема — по изобаре C D и изотерме DE. В результате давление в цилиндре дизеля выше, чем в ДВС. У дизеля 4 ·106 Па, у ДВС 5 · 105 Па.
Иностранный корреспондент.. Благодарю Вас, главный инженер. Разрешите мне задать вопрос конструктору. От чего зависит мощность двигателя внутреннего сгорания?
Конструктор. Мощность ДВС определяется по формуле:
[pic]
где Р — давление газов, V — объем цилиндра, n — частота вращения коленчатого вала, τ — число тактов в работе двигателя за один цикл.
Эта формула показывает, что увеличивая давление в цилиндре и число оборотов n вала двигателя — эти величины стоят в числителе, можно увеличить мощность двигателя. Учитывая знаменатель τ, можно сказать, чем больше рабочих тактов в цикле совершает двигатель, тем меньше его мощность, значит, увеличить мощность можно переходя от четырехтактного цикла к двухтактному.
Иностранный корреспондент (обращаясь к директору). Выпускает ваш завод двухтактные двигатели?
Директор завода. Пока нет, мы только приступаем к их освоению.
. Удобен ли двухтактный двигатель?
Конструктор. Да. Двухтактный ДВС имеет большую мощность, меньшие размеры, он легче и его ход более равномерен. Он широко применяется в мотоциклах.
Иностранный корреспондент. Позвольте взять на себя смелость задать вам еще один вопрос. Не могли бы вы сравнить достоинства карбюраторного ДВС и дизеля?
Конструктор. Карбюраторные ДВС компактны, имеют сравнительно малый вес, используются там, где требуется небольшая мощность и легкость силовой установки. А преимущества дизелей таковы: простое устройство и обслуживание, большой КПД (у карбюраторных 25—30 %, у дизелей 30—55 %), работают на дешевом топливе, применяются в основном там, где требуется достаточно большая мощность (в тяжелых грузовиках, тракторах).
Иностранный корреспондент. Благодарю Вас, господин... А теперь хочу задать вопрос химику-технологу. Не могли бы вы мне сказать, какие виды топлива используются для ваших двигателей? Это не секрет?
Химик-технолог. Нет, это не секрет. Основные источники энергии — бензин разных марок и дизельное топливо. Бензин представляет собой сложные смеси многих углеводородов и применяется главным образом в двигателях с искровым зажиганием. Это смесь продуктов прямой перегонки нефти, выкипающих при температурах не выше 205 °С. Дизельное топливо — это средние и тяжелые фракции перегонки нефти. Образуются из нее путем выкипания при температурах 270—400 °С. Используются в двигателях с воспламенением от сжатия. Топливом для дизелей, работающих под большой нагрузкой, является смесь из мазута.
Иностранный корреспондент.. Благодарю Вас. К сожалению, каким бы ни было топливо, выброс отработанных газов идет в окружающую среду. Я прошу эколога рассказать о проблемах экологии, возникающих в связи с использованием двигателей внутреннего сгорания.
Эколог. Как сказал нам историк, ДВС уже более 100 лет. Он был изобретен, чтобы облегчить жизнь людей. Но постепенно это гениальное творение конца XIX века превратилось в зло, источник опасности. Двигатели внутреннего сгорания стоят на автомобилях, а автомобили отнимают у человека землю. В настоящее время около 0,03 % суши занято под автостоянки и дороги. Но главное — автомобиль загрязняет окружающую среду. Вследствие выбросов
газов в атмосферу гибнут цветы, деревья, над городами, где много машин, часто образуется смог — ядовитый не рассеивающийся туман. Очень вреден шум, создаваемый автотранспортом, который составляет 80 % технических шумов, он влияет на нервную систему человека, вызывает психические заболевания, сокращает на 8— 12 лет жизнь в больших городах.
Иностранный корреспондент. Простите, госпожа, но если ДВС так вреден, то зачем ваш завод их выпускает? Как избежать вредных последствий их работы? Стремитесь ли вы к этому?
Эколог. Над этими проблемами работают сейчас специалисты всего мира. И мы учитываем их рекомендации. Так в арсенале средств борьбы с шумом есть такие: точная регулировка карбюратора, совершенствование глушителей, переход на газовое топливо. Сейчас во всем мире идет поиск видов топлива для ДВС. Одна из технических находок — этиловый спирт, продукты его сгорания в меньшей мере загрязняют окружающую среду. Двигатели, работающие на спирту, успешно применяются в Бразилии на автомобилях. Перевод автотранспорта на сжиженный газ уменьшает поступление оксида углерода в атмосферу. У вас в США уже разработано несколько образцов автомобильных двигателей, действующих на воздушно-водородной смеси.
Иностранный корреспондент. Какие меры по охране природы предприняты в вашей стране и конкретно на вашем заводе?
Эколог. Я прошу Вас обратить внимание на данную таблицу, в которой отражены пути преодоления вредных последствий работы двигателя.
1. Повышение температуры на Земле вследствие работы тепловых двигателей 2. Выброс в атмосферу вредных для растений, животных и человека веществ
3. Шумы и вибрации. Их воздействие на человека вредно
4. Уплотнение и эрозия почвы при движении транспорта
1. Повышение экономичности тепловых двигателей
2. Использование новых сортов топлива, менее токсичных. Разработка новых технологий их сжигания, утилизация отходов
3. Снижение шума и вибрации
4. Рациональное использование транспортных дорог
В стране введена обязательная государственная экологическая экспертиза проектов всех новых промышленных объектов. Проект нашего завода прошел эту экспертизу. Повышается ответственность за экологически грамотную эксплуатацию предприятия. Но, к сожалению, ремонт выходящих из строя очистных сооружений связан с большими финансовыми затратами.
Иностранный корреспондент. Благодарю Вас. Я хотела бы вновь обратиться к химику-технологу и задать ему еще один вопрос о топливе: каковы преимущества и недостатки газа как топлива?
Химик-технолог. Отвечу с удовольствием. По сравнению с бензином, использование природного газа продлевает срок службы на 40 % у свечей зажигания и в 4 раза моторных масел. Кроме того, в 5—10 раз уменьшаются выбросы в атмосферу вредных веществ. Это преимущества.
Недостатки: необходимость сжатия газа до давления 200—250 атм., что требует, во-первых, дополнительной установки — компрессора, а во-вторых, хранения на борту автомобиля нескольких стальных баллонов со сжатым газом, а это снижает грузоподъемность машины на 15—20 %.
Иностранный корреспондент. Весьма признателен Вам. Последний вопрос я хочу задать директору завода. Господин... не могли бы вы в нескольких словах сказать о том, кому нужна ваша продукция?
Директор завода. Наши ДВС получили широкое применение: они используются в энергетике — на маломощных теплоэлектростанциях, на сухопутном автомобильном транспорте, их ставят на мотоциклы, корабли, трактора. Обратите внимание на технические характеристики двигателя грузовика ЗИЛ-130, который мы тоже выпускаем (Указывает на таблицу, комментируя ее.).
1. Тип двигателя 2. Диаметр цилиндра
3. Расположение цилиндров
4. Ход поршня
5. Максимальная мощность
6. Удельный расход топлива
Четырехтактный, карбюраторный, с водяным охлаждением
100 мм
V-образное, под углом 90°
95 мм
110 кВт
240 г на 1 кВт ч
Иностранный корреспондент. Раз предприятия нуждаются в вашей продукции, то какие требования они предъявляют к ней — двигателям вашего завода? Учитываете ли вы пожелания покупателей?
Директор завода. Требования самые разнообразные: большой срок службы без ремонта, экономичный расход горючего и масел, небольшая токсичность отработанных газов, уменьшенные габариты, пониженный уровень создаваемого шума, небольшая стоимость и другие. Пожелания заказчиков учитывать стараемся, хотя сейчас это делать сложно.
Иностранный корреспондент. Благодарю Вас. Я очень признательна администрации завода, всем специалистам и лично господину директору за то, что вы уделили время моей газете. Я привезу к себе интересные сведения о вашем заводе, его продукции и новых технических разработках. Еще раз благодарю Вас.
Секретарь-референт. Наше коллективное интервью газете «Нью-Йорк Таймс» закончено. До свидания.
Учитель. Ребята, поскольку в настоящее время двигатель служит «сердцем» автомобиля, который все больше завоевывает жизненное пространство, мы должны представлять себе не только как он работает, но и то, что эксплуатация автотранспорта вызывает определенные отрицательные факторы. И с этими факторами надо бороться.
