Проєкт "Від двигунів внутрішнього згоряння до Стірлінга"

У дослідницькому проєкті з фізику учнем 9 класу вивчається еволюція теплових двигунів внутрішнього згоряння аж до двигуна Стірлінга, перехід від класичних двигунів до більш екологічного двигуна. Автор роботи описує принцип роботи двигунів внутрішнього згоряння — як відбувається перетворення енергії палива в механічну роботу.

Докладніше про роботу:

У навчальному проєкті з фізики про двигуни внутрішнього згоряння та двигун Стірлінга також розглядається будова та особливості ДВЗ — основні елементи та їх функції, принцип роботи двигуна Стірлінга — зовнішнє підведення тепла та замкнений цикл. Також учнем проведено порівняння їхніх характеристик (ефективність, економічність, екологічність, рівень шуму), розкрито переваги та недоліки кожного типу двигуна.

Результатом проведеної дослідницької роботи на тему «Від двигунів внутрішнього згоряння до двигуна Стірлінга» є узагальнення отриманих знань про принципи роботи, будову та ефективність різних типів двигунів, їх порівняння. Також зроблено висновки щодо переваг і недоліків двигуна Стірлінга та перспектив його використання як більш екологічної альтернативи.

Зміст

Вступ
1. Двигуни внутрішнього згоряння.
1.1. Історія створення.
1.2. Види двигунів внутрішнього згоряння.
2. Двигун Стірлинга – переваги, особливості та використання.
3. Екологічні виклики та майбутнє теплових двигунів.
Висновки
Список літератури

Теплові двигуни є одним із найважливіших технічних винаходів людства, адже саме вони зробили можливим розвиток транспорту, промисловості та сучасної енергетики.

Історія теплових двигунів починається в глибинах XVIII століття, коли Джеймс Ватт удосконалив паровий двигун Томаса Ньюкомена, зробивши його ефективнішим за рахунок окремого конденсатора. Цей прорив, датований 1769 роком, запустив промислову революцію, перетворивши фабрики на гудучі механізми продуктивності. Парові двигуни рухали локомотиви, кораблі та млини, дозволяючи людству освоювати континенти з небаченою швидкістю.

Принцип дії теплового двигуна полягає в перетворенні теплової енергії, отриманої внаслідок згоряння палива або нагрівання, у механічну роботу. Без таких пристроїв неможливо уявити повсякденне життя сучасної людини.

Найпоширенішими тепловими машинами на сьогодні є двигуни внутрішнього згоряння. У 1876 році Ніколаус Отто створив чотиритактний цикл, який став основою для автомобільних моторів. Рудольф Дізель у 1892 році запропонував свій варіант, ефективніший для важкої техніки. Ці винаходи не просто прискорили транспорт – вони змінили суспільство, зробивши подорожі доступними, а торгівлю глобальною. Вони використовуються в автомобілях, мотоциклах, літаках, сільськогосподарській техніці, генераторах електроенергії. Основними причинами їх масового застосування є компактність, висока потужність і здатність працювати в різних умовах.

Проте разом із цими перевагами двигуни внутрішнього згоряння мають і суттєві недоліки — значне забруднення довкілля, високий рівень шуму, вібрації та залежність від викопного палива. Сьогодні, станом на 2026 рік, теплові двигуни інтегруються з гібридними системами, як у Tesla чи Toyota, де вони поєднуються з електродвигунами для зменшення викидів.

У зв’язку з глобальними проблемами енергозбереження та екології все більшої актуальності набуває пошук альтернативних технологій. Однією з таких технологій є двигун Стірлінга — тепловий двигун зовнішнього згоряння, який був запропонований ще у 1816 році. Незважаючи на давню історію, інтерес до цього двигуна зберігається й сьогодні, оскільки він має потенціал для використання в сучасних та майбутніх енергетичних системах.

Метою дослідницької роботи є детальне вивчення принципів роботи двигунів внутрішнього згоряння та двигуна Стірлінга, аналіз їхніх переваг і недоліків, а також оцінка перспектив застосування двигуна Стірлінга як технології майбутнього.

Завдання дослідження:

• Дослідити історію створення двигунів внутрішнього згоряння.
• Розглянути основні види двигунів внутрішнього згоряння та їхні особливості.
• Вивчити принцип роботи двигуна Стірлінга.
• Проаналізувати переваги та недоліки двигунів внутрішнього згоряння і двигуна Стірлінга.
• Охарактеризувати сфери застосування двигуна Стірлінга.
• Оцінити екологічні проблеми, пов’язані з використанням теплових двигунів.
• Визначити перспективи розвитку та використання двигуна Стірлінга як альтернативної технології майбутнього.

Об'єкт дослідження: Двигуни внутрішнього і зовнішнього згоряння.

Предмет дослідження: Порівняння двигунів внутрішнього і зовнішнього згоряння.

Методи дослідження: Пошук інформаційних матеріалів, їх систематизація та аналіз, формування висновків.

Двигуни внутрішнього згоряння — це теплові двигуни, у яких згоряння палива відбувається безпосередньо в робочому просторі двигуна, тобто в циліндрі. Під час згоряння утворюються гази з високою температурою та тиском, які тиснуть на поршень і змушують його рухатися. Цей рух через механізм передається на колінчастий вал, унаслідок чого виконується корисна механічна робота.

Основними елементами двигуна внутрішнього згоряння є циліндр, поршень, шатун, колінчастий вал, система подачі палива, система запалювання та система відведення відпрацьованих газів. Робота двигуна відбувається циклічно й супроводжується складними фізичними та хімічними процесами.

Завдяки своїй конструкції двигуни внутрішнього згоряння здатні швидко змінювати режим роботи, що є особливо важливим для транспортних засобів. Саме ця властивість зробила їх незамінними в автомобільній та авіаційній промисловості.

Історія розвитку двигунів внутрішнього згоряння тісно пов’язана з розвитком промисловості у XIX столітті. До появи ДВЗ основними джерелами механічної енергії були водяні колеса та парові машини. Проте парові двигуни мали значні недоліки — великі розміри, низьку ефективність та складність експлуатації.

Перший крок у створенні двигуна внутрішнього згоряння зробив бельгійський винахідник Етьєн Ленуар у 1860 році. Його газовий двигун був далеким від досконалості, але довів можливість використання енергії згоряння палива безпосередньо в циліндрі.

У 1876 році німецький інженер Ніколаус Отто створив чотиритактний бензиновий двигун, який мав значно вищу ефективність. Його винахід став основою для подальшого розвитку автомобільної техніки.
Подальший розвиток ДВЗ пов’язаний з іменем Рудольфа Дізеля, який у 1892 році запропонував двигун із займанням палива від стискання повітря. Дизельні двигуни виявилися більш економічними та довговічними, що забезпечило їм широке застосування.

ДВЗ виробляють енергію за рахунок згорання палива в контрольованій камері. Потім потужність передається на колеса через трансмісію.

Двигуни внутрішнього згоряння поділяються на кілька видів залежно від принципу запалювання палива та виду використовуваного палива:

• двигуни із запалюванням від іскри;
• мотори із запалюванням від стиснення.

Найпоширенішими є бензинові та дизельні двигуни.
Бензинові двигуни працюють за принципом іскрового запалювання. Вони характеризуються плавною роботою та відносно високими обертами, що робить їх зручними для використання в легкових автомобілях.

Цей тип двигуна має циліндри або камери згорання, в яких відбувається реакція повітря-паливо. Інжектори (або карбюратор у старих моторах) подають паливо в камеру, а впускні клапани дозволяють певній кількості повітря змішуватися з паливом.

Після чого свічка запалювання підпалює суміш, викликаючи її горіння. У результаті цієї реакції виділяється величезна енергія, яка штовхає поршень у камері вниз. Ця дія обертає маховик через з'єднання з колінчастим валом і далі крутний момент переходить на колеса.

Двигун із запалюванням від стиснення схожий з мотором, що використовує іскрове запалювання. У ньому використовується камера згорання і всі інші компоненти, але відсутні свічки запалювання.
Процес підпалювання палива тут відбувається за рахунок комбінації тепла, повітря і тиску. Як тільки тиск від поршня досягає заданого значення, відбувається займання паливоповітряної суміші.

Легкі нафтопродукти, такі як бензин, не можуть згоряти під тиском. Тому в двигунах із запалюванням від стиснення використовуються важчі продукти, серед яких найбільшою популярністю користується дизельне паливо. Інша частина процесу від згорання до приведення в дію трансмісії, залишається незмінною. Однак використання дизельного пального має деякі переваги.

Дизель - важче паливо, і згорає набагато повільніше, ніж бензин. Тому частота дозаправки нижча, ніж у варіантів з іскровим запалюванням. Крім того, дизельні агрегати виробляють більше потужності на кожен грам палива порівняно з бензиновими рішеннями. Тому вони використовуються у вантажних автомобілях і транспортних засобах великої вантажопідйомності.

Дизельні двигуни використовують самозаймання палива внаслідок високого тиску. Вони мають вищий коефіцієнт корисної дії та більший ресурс роботи, але є важчими та гучнішими.
Окрім цього, існують газові двигуни, які працюють на природному газі, а також роторно-поршневі двигуни, що мають оригінальну конструкцію, але складні в обслуговуванні.

Двигун Стірлінга є тепловим двигуном зовнішнього згоряння, у якому процес згоряння палива відбувається поза робочим об’ємом. Він був запропонований шотландським інженером Робертом Стірлінгом у 1816 році як безпечна альтернатива паровим машинам.

Головною особливістю двигуна Стірлінга є те, що робочий газ перебуває в замкненому об’ємі й не витрачається під час роботи. Це дозволяє значно зменшити втрати енергії та негативний вплив на навколишнє середовище.

Принцип роботи двигуна Стірлінга ґрунтується на циклічному нагріванні та охолодженні газу. Коли газ нагрівається, він розширюється та виконує механічну роботу, переміщуючи поршень. Після цього газ переміщується в холодну зону, де охолоджується й стискається.

Для підвищення ефективності в двигуні використовується регенератор — спеціальний елемент, який накопичує тепло й повертає його газу під час зворотного руху. Завдяки цьому підвищується коефіцієнт корисної дії.

Однією з головних переваг двигуна Стірлінга є можливість використання різних джерел тепла. Він може працювати як від спалювання палива, так і від сонячної енергії або відпрацьованого тепла.
До інших переваг належать низький рівень шуму, екологічність, відсутність внутрішнього згоряння палива та тривалий термін служби.
Попри численні переваги, двигун Стірлінга має й суттєві недоліки. Основним із них є складність конструкції та необхідність забезпечення високої герметичності.

Також двигун повільно реагує на зміну навантаження, що ускладнює його використання в транспортних засобах. Значні габарити й маса при великій потужності обмежують сферу його застосування.
Існує кілька конструктивних різновидів двигуна Стірлінга, які відрізняються розташуванням поршнів і камер нагрівання та охолодження. Найпоширенішими є альфа-, бета- та гамма-типи.

Альфа-тип має два окремі циліндри — гарячий і холодний. У кожному з них знаходиться поршень. Така конструкція дозволяє досягати відносно високої потужності, однак потребує складної системи ущільнення та точного виготовлення деталей.

Бета-тип має один циліндр, у якому розташовані два поршні: робочий та витіснювальний. Витіснювальний поршень переміщує газ між гарячою та холодною зонами. Така конструкція є більш компактною та часто використовується в навчальних моделях.

Гамма-тип конструктивно подібний до бета-типу, але має окремий циліндр для робочого поршня. Він простіший у виготовленні, проте має дещо нижчу ефективність.
Робочим тілом у двигуні Стірлінга зазвичай є газ — повітря, гелій або водень. Вибір газу впливає на ефективність роботи двигуна. Наприклад, гелій і водень мають кращу теплопровідність і дозволяють підвищити коефіцієнт корисної дії, проте потребують більшої герметичності системи.

Під час роботи двигуна відбуваються фізичні процеси розширення та стискання газу, які супроводжуються зміною температури та тиску. Ці процеси описуються законами термодинаміки. Саме різниця температур між гарячою та холодною зонами забезпечує виконання механічної роботи.

На відміну від двигуна внутрішнього згоряння, у двигуні Стірлінга відсутній процес вибухового згоряння палива в циліндрі. Це зменшує рівень шуму та вібрацій. Крім того, процес підведення тепла є більш контрольованим, що позитивно впливає на екологічні показники.

Однак двигун внутрішнього згоряння має перевагу у швидкості зміни режимів роботи та у питомій потужності. Саме тому ДВЗ використовується в автомобільному транспорті, де важлива швидка реакція на навантаження.
Двигун Стірлінга більше підходить для стаціонарних установок, автономних генераторів та альтернативної енергетики, де стабільність і екологічність є пріоритетними.

Перспективи застосування двигуна Стірлінга пов’язані насамперед із розвитком альтернативної енергетики та підвищенням вимог до екологічності технологій. Його здатність працювати від різних джерел тепла робить його привабливим для використання у сонячних електростанціях, системах утилізації відпрацьованого тепла, а також у віддалених районах, де відсутня розвинена енергетична інфраструктура. Завдяки цьому двигун може стати важливим елементом енергоефективних і екологічно чистих систем.

У сучасних умовах науковці та інженери продовжують вдосконалювати конструкцію двигуна Стірлінга, намагаючись зменшити його габарити, підвищити потужність і покращити динамічні характеристики. Хоча він поки що не може повністю замінити двигуни внутрішнього згоряння, його потенціал у сфері відновлюваної енергетики та автономних установок свідчить про важливу роль цієї технології в майбутньому розвитку енергетики.

Теплові двигуни – невід’ємна частина нашого буття, від ранкової поїздки на роботу до освітлення домівок. У транспорті вони рухають автомобілі, кораблі та літаки: наприклад, дизельні двигуни в вантажівках перевозять товари на тисячі кілометрів, споживаючи менше пального, ніж бензинові аналоги. У енергетиці парові турбіни на АЕС чи ГЕС генерують електрику, забезпечуючи 70% світового виробництва, за даними World Energy Council.

Сучасні приклади вражають: у 2025 році компанії як Siemens почали розробляти газотурбінні установки з ККД 65%, інтегровані з сонячними панелями. У побуті теплові двигуни ховаються в генераторах, що рятують під час блекаутів, або в теплових насосах, які обігрівають будинки, перекачуючи тепло ззовні. Навіть у космосі, на марсоходах NASA, стірлінгові двигуни перетворюють тепло від радіоізотопів на енергію для руху.

Але застосування не без викликів: у сільському господарстві дизельні трактори забруднюють ґрунт, спонукаючи до переходу на біодизель. Це робить теплові двигуни мостом між минулим і майбутнім енергетики.

Теплові двигуни – двосічний меч: вони дають енергію, але забруднюють планету. Викиди CO2 від ДВЗ сприяють глобальному потеплінню, а оксиди азоту – кислотним дощам. У 2025 році, за даними ООН, транспорт на базі теплових двигунів відповідає за 24% світових викидів, спонукаючи до регуляцій, як у Європі з Euro 7 стандартами.

Більшість просунутих країн планують поступово відмовитися від цих силових агрегатів до 2050 року.
В ідеалі двигуни внутрішнього згорання повинні виробляти CO2 і воду після згорання. Часто це не так, що призводить до утворення СО - токсичного газу в атмосфері Землі.

Майбутнє обнадійливе: біопаливо з водоростей чи синтетичний газ зменшують вуглецевий слід. Гібридні системи, де тепловий двигун працює з батареями, як у plug-in гібридах, знижують споживання на 50%. Інновації, як двигуни на аміаку, обіцяють нульові викиди, перетворюючи теплові машини на союзників екології.

Для порівняння типів двигунів та їхнього впливу розглянемо таблицю:

Дані базуються на звітах Міжнародного енергетичного агентства (iea.org) та Wikipedia.
Теплові двигуни продовжують еволюціонувати, ніби живі істоти, адаптуючись до нових реалій. Їхня роль у світі енергії залишається центральною, запрошуючи нас до подальших відкриттів і вдосконалень.

Двигуни внутрішнього згоряння стали основою розвитку транспорту та промисловості завдяки високій потужності, компактності й здатності працювати в різних умовах. Вони ефективні та зручні у використанні, проте створюють значне навантаження на довкілля через викиди продуктів згоряння палива.

Двигун Стірлінга працює за іншим принципом — без внутрішнього згоряння. Він може працювати на будь-чому, що дає тепло: сонячна енергія, біопаливо, геотермальні джерела, ядерне тепло тощо, тоді як двигун внутрішнього згоряння потребує високоякісного пального. Двигун Стірлінга характеризується тихішою роботою, можливістю використання різних джерел тепла та меншим впливом на навколишнє середовище. Разом із тим, складність конструкції та повільна реакція на зміну навантаження обмежують його застосування, особливо в транспорті.

Обидва типи двигунів мають свої переваги та недоліки. Двигуни внутрішнього згоряння залишаються основними в сучасному транспорті, тоді як двигун Стірлінга може бути перспективним напрямом розвитку енергетики, особливо у сфері альтернативних джерел енергії.

Під час роботи над дослідницьким проєктом з фізики було досягнуто поставлену мету — детально вивчено принципи роботи двигунів внутрішнього згоряння та двигуна Стірлінга, а також проведено їх порівняльний аналіз. Встановлено, що двигуни внутрішнього згоряння є широко поширеними завдяки високій потужності, компактності та розвиненій інфраструктурі їх використання, проте вони мають суттєві недоліки, зокрема значний рівень викидів і залежність від викопного палива.

Водночас двигун Стірлінга вирізняється екологічністю, тихою роботою та можливістю використання різних джерел тепла, включаючи відновлювані. Незважаючи на певні обмеження, такі як складність конструкції та нижча питома потужність, він має значний потенціал як альтернативна технологія майбутнього. Таким чином, результати дослідження свідчать про перспективність подальшого розвитку двигунів Стірлінга в умовах переходу до більш екологічних та енергоефективних рішень.

1. Бар’яхтар В. Г., Довгий С. О., Кирюхін М. М. Фізика. 9 клас. — Київ: Видавництво «Ранок», 2017.
2. Вікіпедія (українська версія): «Двигун внутрішнього згоряння» - https://uk.wikipedia.org/wiki/Двигун_внутрішнього_згоряння
3. Вікіпедія (українська версія): «Двигун Стірлінга» - https://uk.wikipedia.org/wiki/Двигун_Стірлінга
4. Energy Education (University of Calgary):Stirling Engine - https://energyeducation.ca/encyclopedia/ Stirling_engine
5. Олександр Куліш NOV 17, 2025 Тепловий двигун: це серце сучасної механіки та енергетики
6. Максим Перепелиця Види автомобільних двигунів - Vnedorognik Blog
7. YouTube (освітні матеріали): How Stirling Engines Work - https://www.youtube.com/watch?v=0YAFqYd1dN4