Ролевая игра по физике "Принцип работы двигателя внутреннего сгорания и охрана окружающей среды.

ОСНОВЫ ПРИНЦИПА РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Интеграция предметов: физика — экология

Ход урока

Преподаватель. Здравствуйте уважаемые коллеги, участники и гости!  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

Корреспондент 1

Корреспондент 2

Корреспондент 3

Корреспондент 4

Корреспондент 5

Корреспондент 6

Корреспондент 7

Корреспондент 8

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 корреспонденты  Российских газет решили взять интервью у представителей завода через 12 месяцев после его пуска. Мы находимся в актовом зале этого завода. Здесь присутствуют (представляет сидящих за кафедрой людей):

1) Директор завода

2) Главный инженер

3) Заместитель главного инженера

4) Главный конструктор

5) Технолог-химик  

6) Эколог

7) Историк заводского музея

Итак, начинаем работу.

Корреспондент 1. Газету, которую я представляю, интересует принцип работы поршневых тепловых двигателей и перспективы вашего завода. Но вначале я хотел 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.

Корреспондент 2. 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 предоставляется возможность побывать в заводском виртуальном музее, где собрана коллекция моделей старинных зарубежных и отечественных автомобилей.

Корреспондент 2. 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).

Корреспондент 2. — Понятно.

Главный инженер. Взгляните на экран, это поможет вам лучше представить работу нашего двигателя. (Включает проектор, инженер комментирует несколько кадров. Поясняет рабочий цикл.

Корреспондент3. Господин  главный инженер. 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.

Корреспондент 3. Благодарю вас.

Корреспондент 4. Газета (Название), Позвольте мне задать несколько вопросов заместителю главного инженера господину... 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 ·МПа 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.

Корреспондент 4. Простите, господин... 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.

Корреспондент 5 Газета (Название ) 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.

Корреспондент 6. Газета (Название). Разрешите мне задать вопрос конструктору. От чего зависит мощность двигателя внутреннего сгорания?

Конструктор. Мощность ДВС определяется по формуле:

                                              N =   ,

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.

Корреспондент 6. Выпускает ваш завод двухтактные двигатели?

Директор завода. Пока нет, мы только приступаем к их освоению.

Корреспондент 6. 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.

Корреспондент 6. 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).

Корреспондент 1. А  я 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.

Корреспондент 1Благодарю 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.

Корреспондент 2. 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.

Корреспондент 1. 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.

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.

Корреспондент 7. 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 %.

Корреспондент 7. 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.).

Корреспондент 8. 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,

Корреспондент 8. 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 для российских газет 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.