Текст книги "Юный техник, 2005 № 03"

Автор книги: Юный техник Журнал

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 5 страниц)

УНИВЕРСИТЕТ ИЗОБРЕТАТЕЛЬСТВА
Нужна ли корона цилиндру?

Золотая медаль на очередном смотре изобретений в Женеве была присуждена работе нашего соотечественника, доктора технических наук Евгения Бугайца. По мнению жюри, его свечи зажигания могли быть удостоены даже Гран-при, если бы их продемонстрировали экспертной комиссии чуть пораньше. Ведь на глазах изумленных экспертов «Крайслер минивэн вояджер», который разгоняется до скорости 100 км/ч обычно около 30 с, со свечами Евгения Степановича набрал скорость втрое быстрее. Почему так получилось?

– Двигатель внутреннего сгорания, или ДВС, работает на нашей планете уже более 150 лет, – рассказал автор изобретения. – И над его усовершенствованием работают миллионы специалистов, которые тратят десятки миллиардов долларов ежегодно, стремясь выжать из ДВС все возможное. Однако успехи пока довольно скромные – каждый год КПД двигателя возрастает в среднем на 0,2 %. Почему так получается?

Проанализировав ситуацию, я увидел, что при работе двигателя существуют огромные потери, которые почему-то никто не замечает. Часть потерь связана непосредственно с процессом горения. Казалось бы, так здорово все изучено, такие серьезные специалисты работали в этой области, что добавить нечего. Но в том-то и дело, что одни специалисты изучали химический процесс горения, другие – термодинамику процесса с точки зрения цикла Карно, но никто почему-то не удосужился взглянуть на процесс комплексно, применительно именно к горению в цилиндрах ДВС. А там есть масса нюансов, которые заставляют изучать динамику процесса в микросекундном диапазоне.

Вот что я конкретно имею в виду. Давайте посмотрим на камеру сгорания, куда входит кончик свечи зажигания с контактами. Между контактами этими проскакивает искра, поджигая воздушно-топливную смесь. Огонь лижет стенки камеры сгорания, а в центр камеры сгорания попадает по спирали. При этом центром является положение поршня в верхней мертвой точке. Как только поршень этой точки достигает, дальше огонь распространяется равномерно во все стороны. Таким образом, весь процесс горения можно разделить на две стадии: асимметричное горение по спирали до центра и симметричное – во все стороны от него.

При этом горение заканчивается не с той скоростью, с которой началось, а с гораздо более высокой, на грани детонации. Детонационная же волна распространяется со скоростью около 2 км/с, то есть быстрее звука. Так что когда горение заканчивается в одном краю камеры сгорания, поршень получает сильный удар, его может и заклинить.

Неравномерность горения позволяет объяснить и почему двигатель плохо тянет, когда холодный, и почему мотор боится нагрузки, а перед этим он, как говорят автомобилисты, «козлит», поскольку происходит кратковременное заклинивание поршня.

В общем, таким образом было получено объяснение, почему ДВС обычно плохо работает при больших нагрузках и малых оборотах. Да и на высоких оборотах дело обстоит немногим лучше. Хоть камера сгорания по виду и мала, но если разложить весь путь горения по спирали, то получается, что камера как бы искусственно удлиняется в 3,5 раза.

На больших оборотах это обстоятельство заставляет поджигать смесь задолго до верхней мертвой точки. Тепловая энергия начинает выделяться еще в фазе сжатия, когда поршень только идет вверх, и таким образом препятствует его работе. А раз так, то, значит, мы теряем КПД, крутящий момент уменьшается.

Опытным путем двигателисты постарались снизить подобные потери, ограничив угол опережения зажигания. Но это опять-таки приводит к потерям: смесь не успевает полностью сгорать в камере и догорает уже в выхлопной трубе…

В итоге мы имеем, что имеем: чем выше скорость автомобиля, тем больше расход топлива. Выход из положения, когда во всем этом разберешься, кажется очевидным. Смесь нужно поджигать в центре цилиндра. Тогда повысится КПД.

В истории ДВС известны случаи, когда смесь поджигали в центре цилиндра с помощью длинной свечи. Однако при этом для поджига требовалось напряжение в 100 киловольт. Свеча долго не выдерживала, перегорала.

Тогда я подумал: «А зачем дотягиваться в центр материально, когда можно использовать нечто вроде направленного взрыва?» Появилась новая конструкция свечи, отличающаяся от обычной лишь тем, что в ней вокруг искрового промежутка ставится специальная конусная насадка, которая и формирует условия для направленного микровзрыва.

Получилось нечто вроде миниатюрной дюзы ракетного двигателя. Свеча дает короткий мощный факел, который попадает в центр. И дальше горение распространяется равномерно во все стороны. При этом, как показал опыт, даже на скорости в 170 км/ч расход бензина практически остается таким же, как и при езде, скажем, при 50 км/ч. Более того, чем выше скорость автомобиля, тем выше экономический эффект.

Новая свеча позволяет повысить и мощность двигателя. Ведь все мы сегодня ездим практически на заклиненных поршнях. Если же «клин» исчезает, автомобиль становится намного динамичнее.

Меняется и экология автомобиля. Обычно на холостом ходу ДВС работает очень плохо, топливо сгорает не полностью. Но как только мы устанавливаем «венчик» на свечи, расход бензина сокращается в 3–4 раза. А двигатели с электронным впрыском топлива показали увеличение эффективности холостого хода даже в 6–7 раз.

Рассказ записал Владимир БЕЛОВ

Кстати…

ИСКРА В ДОПОЛНЕНИЕ

Пока публикация готовилась к печати, Е.С. Бугаец ознакомил общественность с еще одним своим изобретением. «Новая разработка является дополнением к прежнему изобретению, – пояснил он. – Суть его заключается в том, что параллельно искровому зазору включается конденсатор; возникнет искра, он должен быть заряжен до пробивного напряжения».

Конденсатор запасает солидное количество энергии, и когда происходит пробой, сила искры резко возрастает. Топливо загорается в любом случае, как при чересчур богатой, так и при чрезмерно обедненной смеси.

«Лично я поставил такой конденсатор на всем известную «Оку», которая не отличается особой приемистостью, и стал на ней свободно развивать скорость порядка 120 км/ч, обгоняя многие более мощные автомобили, – продолжал Бугаец свой рассказ. – Кроме того, мощная искра позволяет легко заводить мотор даже в сильные морозы, обеспечивает высокую экологичность по европейским нормам»…

Сама по себе установка конденсатора в схему зажигания не новинка. Однако до недавних пор подобные конденсаторы служили очень недолго, их быстро пробивало. Бугайцу и его коллегам удалось создать такой конденсатор, который выдерживает большие напряжения и температуры, огромные вибрации, удары, мороз в зимнее время и жару летом, кислоты и масла…

Новый конденсатор построен на основе силикона. Однако у этого замечательного материала есть свой дефект – у него малая диэлектрическая постоянная. Поэтому создать приличную емкость на силиконе довольно сложно. Специалистам удалось получить пластины площадью 33 кв. см и толщиной в 1 мм, которые выдерживают пробивное напряжение и не разрушаются сами. Для этого пришлось тщательно «вылизать» весь технологический процесс. Маленькая пылинка, пузырек или заусенец на одном из электродов – и пробой происходит уже при 5 – 10 киловольтах. Сейчас все трудности позади, создан промышленный образец и налажено мелкосерийное производство новых конденсаторов.

НАШ ДОМ
Выбирай любую!

От формы, стиля, материала, из которого сделана сумка, зависит не только ее внешний вид, но и настроение ее владелицы.

Сегодня разговор пойдет о простых в исполнении вариантах оригинальных сумок, сумочек и рюкзачков. Автор моделей – уже знакомая вам по публикациям театральный художник Ксения Митителло.

С рюкзачком, который вы видите на фото, можно не только пойти в школу, но и отправиться в любую поездку – в него можно положить множество необходимых в дороге вещей.

Рис. 1. Молодежный рюкзак.

Так как размеры рюкзака могут быть произвольными, мы просто расскажем о технике его изготовления. Сшит рюкзачок из ярко-синей болониевой ткани и отделан смешными ситцевыми человечками. Крой необычайно прост – вам понадобится вырезать всего четыре детали: овальное дно, два прямоугольника (передняя часть и спинка), а также крышку-язычок.

Крышка скроена из четырех слоев ткани: верхний – из ситца с рисунком, нижний – тонкая болониевая ткань, а в середине этого своеобразного бутерброда – слой синтепона и флизелиновая подкладка для большей прочности. Все слои выкроите с припуском на подгиб 0,3 см. Затем сострочите крышку воедино и пришейте к задней стенке рюкзака. Все детали сметайте и сострочите между собой.

Дно советуем укрепить отрезком брезентовой ткани. Верхний край рюкзака окантован ситцевой полосой шириной 4 см. Пристрочите ее к положенному месту и пробейте в ней отверстия для металлических колец. Через них проденьте тесьму. Она стянет края, и рюкзак будет, как говорится, «держать» форму.

Лямки сшейте из такой же точно тесьмы, для надежности продублированной плотной суровой тканью. Пришейте к крышке карабин. К внешней стороне пришейте небольшой накладной карман. На него пристрочите два круглых фрагмента аппликации с человечками. Их имена напечатаны на ткани, а имя владельца можете вписать сами.

Стильная холщовая сумка – прекрасный аксессуар для летнего отдыха. Основа аппликации – сувенирный платок с видами Рима, но вы можете воспользоваться любым другим сюжетом.

Сшить сумку очень просто. Вырежьте два квадрата, их углы утопите внутрь по нижнему краю. Вставьте молнию, пришейте холщовые лямки. Выбранные фрагменты для аппликации посадите на клеевой флизелин, затем пристрочите на машинке. Слово «RОMA» пришейте диагонально вдоль нижнего угла сумки. Если вам почему-либо не захочется возиться с подгибом аппликации – обработайте края специальными ножницами «зигзаг».

Рис. 2. «Итальянская» холщовая сумка для отдыха.

ЕСЛИ ВЫ ТЕАТРАЛКА…

Здесь фантазии есть где разгуляться. Нужно лишь запастись тонкой прозрачной тканью типа шифон, парчой или органди и старой сумкой подходящего размера. Но прежде чем кроить, выполните на ткани аппликацию. По линии будущего нижнего края сумки расшейте парчу золотой тесьмой, связанной из нити воздушными петлями. По центру расположите три золотых трехлистника из «металлика», как на фото. Чтобы тонкая ткань не порвалась при работе, подложите под парчу тонкий слой флизелина.

Кроите материал по форме выбранной вами сумки с припуском на подгиб по 5 см с каждой стороны и по 10 см по бокам. Это необходимо для того, чтобы затем заложить ткань мягкими складками по лицевой и задней сторонам сумки.

Так как парча имеет лиловатый оттенок, советуем ручки сумки обшить темно-зеленым бархатом. Всю работу выполняйте вручную потайным швом. Лицевую сторону украсьте сиреневыми бусинами, пришитыми вдоль молнии. Советуем прикрепить какое-нибудь изящное украшение в центре – крупную брошь, медальон или небольшую декоративную маску.

Чтобы выигрышно оттенить украшение, подложите под него широкий «воротник» из изумрудной парчи. Остается вложить старую сумочку в новый парчовый футляр, и можно отправляться на спектакль.

Рис. 3. Театральная сумочка из парчи.

СУМОЧКА ДЛЯ ПРИНЦЕССЫ

Еще одну разновидность театральной сумочки легко смастерить из бархата и шелка. Задняя часть сумочки намного длиннее передней. На чертеже она обозначена пунктиром.

Нарисованные цветы и листья переведите на кальку, приложите к передней части сумки и приметайте весь контур рисунка швом «иголка вперед». Предназначенные для аппликации кусочки шелка уплотните клеевым флизелином, а затем переведите на них фрагменты рисунка. Листочки, выступающие за границы сумочки, изготовьте в два слоя. Прожилки на листьях и цветах вышейте люрексом. Вырежьте все элементы рисунка и приметайте их к передней части сумочки. Все детали узора обшейте по контуру золотым шнуром, кое-где нашейте бисер. Вставьте между бархатом и шелковой подкладкой плотный картон для большей плотности.

Осталось пришить донышко и изготовить ручку из золотого шнура, свитого в несколько сложений. Для ее крепления смастерите бархатные «ушки» и прикрепите их к боковинам донышка. В качестве застежки пришейте липучку или кнопку.

Рис. 4. Театральная сумочка из черного бархата.

Рис. 5. Схема выкройки.

Материалы подготовила Н. АМБАРЦУМЯН

КОЛЛЕКЦИЯ «ЮТ»

Проект по созданию MD-11 был начат 30 декабря 1986 года. Первый лайнер был собран 9 нарта 1988-го, а впервые поднялся в воздух в январе 1990 года. Из «сверхбольших» широкофюзеляжных лайнеров MD-11 и сегодня остается самым современным. У самолета сложная палуба и современные автоматические средства управления полетом, максимально облегчающие работу пилотов.

Производит MD-11 в Калифорнии подразделение Douglas Products компании Boeing в четырех модификациях: пассажирский, карго, конвертируемый и комбинированный.

Лайнер может вмещать от 285 до 410 пассажиров, это зависит от количества классов. Улучшенная аэродинамика, современные двигатели и системы управления, кабина экипажа и конструкция салона способствуют эффективности и экономичности всех моделей MD-11.

Техническая характеристика:

Длина самолета… 61.6 м

Высота… 5,72м

Размах крыльев… 51,7 м

Площадь крыльев… 338,9 м ²

Количество двигателей… 3

Тяга двигателя… 270 КН

Вес пустого самолета… 130,165 т

Коммерческая загрузка… 51,272 т

Снаряженный вес… 273,900 т

Практический потолок… 12 000 м

Дальность полета… 12 655 км

Скорость захода на посадку… 260 км/ч

Максимальная скорость… 945 км/ч

Немецкая марка Maybachведет свою историю с 1921 года, когда конструктор Вильгельм Майбах сконструировал свой первый автомобиль модели W-3 с 6-цилиндровым двигателем объемом 5,7 л. В 1997 г. Mercedes-Benz показал концепт-кар Maybach, основные идеи которого воплотились в серийных моделях 2002 года.

Новый Maybachвыпускают в двух вариантах – стандартный Maybach 57длинной 5,72 метра и удлиненный до 6,16 метра Maybach 62. Обе модели оснащены двигателем Maybach Туре 12(550 л.с.), который управляется микрокомпьютером и изготовлен из сплавов алюминия и магния. Автомобиль Maybachоборудован всей мыслимой электроникой и техническими новинками.

Производят автомобили в Германии и США. Автомобили Maybachимеют четырехлетнюю гарантию, включающую бесплатный ремонт и техническое обслуживание. Заводские цены на модели таковы: Maybach 57– 310 000, Maybach 62– 360 000 евро.

Техническая характеристика Maybach 62:

Длина… 6,165 м

Ширина… 1,980 м

Высота… 1,573 м

База… 3,827 м

Объем двигателя… 5513 см ³

Количество цилиндров… 12

Клапанов на цилиндр… 3

Мощность… 550 л.с.

Максимальная скорость… 250 км/ч

Снаряженный вес… 2855 кг

Разгон до 100 км/ч… 5,4 с

Количество мест… 5

Расход топлива на 100 км (смешанный цикл)… 15,9 л

ПОЛИГОН
Электростанция из… проволоки

В 1822 году немецкий физик Т.Зеебек спаял кольцо из меди и висмута, а затем подогрел один из спаев (рис. 1). Помещенная внутрь кольца магнитная стрелка отклонилась.

Вы, конечно, догадались, что по кольцу стал протекать электрический ток. Однако сам Зеебек и ряд других ученых настаивали на том, что в опыте «имеет место быть зарождение магнетизма под действием тепла». Поэтому данное явление он называл «термомагнетизмом».

Между тем уже через год X.Эрстед и другие физики, повторив опыты Зеебека, пришли к выводу, что в них возникает электрический ток. И для его появления достаточно составить цепь из любых разнородных проводников, один из ее спаев подогревать, а другой охлаждать.

Несмотря на протесты автора, «термомагнетизм» переименовали в термоэлектричество.

Вы можете и сами проверить этот эффект при помощи школьного гальванометра. Достаточно лишь спаять и присоединить к прибору простейшую цепь из куска медной и железной проволоки диаметром 2–3 мм. Если спай подогреть, то стрелка четко отклонится на несколько делений.

Опыт, конечно, прост. Однако стоит поставить себе задачу получить отклонение на всю шкалу, как он становится своего рода азартной игрой. Появится желание делать термопары из других материалов, соединять их в батареи (рис. 2).

Очень скоро вы обнаружите слабое звено во всех своих устройствах. Получаемый от них ток явно растет по мере увеличения температуры горячего спая, но оловянный припой, которым вы соединяете проводники, легко плавится, и цепь прекращает работу. Чтобы этого избежать, проводники необходимо спаивать припоями на основе меди или серебра.

О том, как это делается, мы расскажем ниже. А сейчас давайте еще немного истории. На тепловых электростанциях из топлива в каком-либо тепловом двигателе (паровой или газовой турбине, дизеле, бензиновом моторе) получается механическая работа. Двигатель, вращая генератор, вырабатывает электрический ток. Правда, получение его с помощью куска проволоки гораздо проще? Так что логично, что ученые давно уже пытаются создать электростанцию на основе термоэлектрического эффекта.

Так, в 1875 году французский изобретатель Ш.Кламон создал «термоэлектрическую печь» (рис. За, 3б).

Она содержала 6000 термоэлементов и развивала мощность 800 Вт при напряжении 218 В. Это позволяло питать 80 дуговых ламп – свечей Яблочкова, освещавших бульвары Парижа. Расход топлива составлял 10 кг угля в час. По сравнению с освещением при помощи газовых керосиновых фонарей такая система давала более чем десятикратную экономию средств. Но очень скоро электрический ток стали получать на электростанциях с паровыми машинами. Даже на первых порах они расходовали топлива на единицу мощности в десять, а потом и в 30–40 раз меньше и легко вытеснили термоэлектрогенераторы из области освещения.

Однако эти устройства отнюдь не исчезли. Низкий КПД прежних термоэлектрических генераторов объясняется несовершенством материалов, в качестве которых применялись металлы. Идеальный материал для этих целей должен обладать низким сопротивлением и как можно хуже проводить тепло. В этом отношении полупроводники намного превосходят металлы. На основе сернистого свинца, например, в нашей стране еще в 1940 году были созданы генераторы, имевшие КПД 3 %.

Сегодня КПД полупроводниковых термоэлектрогенераторов превышает 20 %. Но получение этих веществ достаточно сложно и пока оправдывается лишь в случае применения их для очень важных целей.

Сделать термогенератор можно и в домашних условиях. Полупроводниковые термоэлементы у вас, конечно, не получатся. Однако в современных условиях многое может дать и термоэлектрический генератор на основе металлов.

Чтобы осветить небольшую квартиру, вполне достаточно 8 – 10 современных экономичных ламп мощностью по 10 Вт. Каждая такая лампа дает столько же света, сколько давала одна свеча Яблочкова такой же мощности или лампа накаливания мощностью 60 Вт.

Если для их работы взять энергию от печи Кламона, то ей хватило бы 1–1,5 кг угля в час. Из-за низкого КПД в ней только 1 % тепла сгоревшего топлива превратился бы в электричество. Но если оставшиеся 99 % тепла не выпускать в трубу, а использовать по хозяйству, их достаточно для получения 50 литров кипятка в час, хватит для обогрева помещения и приготовления пищи. Все это очень ценно в нашем холодном климате. А в летнее время избыток тепла можно направить в абсорбционные установки для получения холода. (Их устройство тема особого рассказа.) Однако работу над таким сложным устройством сразу начинать не стоит.

В некоторых странах выпускается термоэлектрический генератор, выполненный как насадка на керосиновую лампу (рис. 4).

Устройство это одновременно дает свет, тепло и питает радиоприемник. Низкий КПД превращения тепла в электроэнергию особого значения не имеет, поскольку все тепло здесь тратится только на пользу. Если учесть, что сегодня треть человечества живет при керосиновых лампах, то понятно, почему спрос на эти устройства стабилен.

Более полувека тому назад наши радиолюбители самостоятельно делали такие термоэлектрические генераторы для питания ламповых радиоприемников. Современные транзисторные приемники потребляют в десятки раз меньшую мощность. В рубрике ЗШР вы найдете схему очень экономичного радиоприемника, которую разработал наш постоянный автор, инженер Ю.Г. Прокопцев.

Термоэлектрический генератор для его питания мог бы работать от миниатюрной газовой горелки для пайки ювелирных изделий или даже от свечи. Наибольшее напряжение при нагревании развивают такие металлы, как цинк, сурьма, висмут в паре с медью. Однако достать их трудно. Наши радиолюбители в своих термоэлектрических генераторах применяли пару железо-никелин. Неплохо работали пары, содержащие мельхиор и нейзильбер – эти сплавы широко применяются для изготовления чайных ложек, а никелиновые спирали можно найти в перегоревших нагревательных элементах от старых электросамоваров.

Первым делом вам нужно, исходя из своих возможностей, подобрать самую эффективную термоэлектрическую пару. После этого можно приступать к изготовлению батареи. Ее нужно паять серебром, нагревая место спая газовой горелкой. В качестве припоя лучше всего взять советский полтинник 20-х годов. Его следует попилить напильником, а опилки собрать на бумагу. Частицы стали от напильника, которые сильно затрудняют пайку, следует удалить магнитом. В качестве флюса применяется насыщенный раствор буры. Место пайки должно быть зачищено.

Возьмите, например, полоску железа и кусок мельхиора шириной 2–3 мм, смажьте их флюсом, посыпьте припоем и положите на кафельную плитку. Спаиваемые детали прижмите друг к другу при помощи шила и начинайте греть докрасна. В определенный момент серебро расплавится и растечется по месту спайки. После этого удалите горелку, подуйте и бросьте изделие в раствор флюса. Вот и все – пайка закончена (рис. 5).

Необходимая для питания приемника Ю. Прокопцева батарея должна состоять примерно из 30 термоэлектрических пар и развивать напряжение 2,5–3 В. Все ее элементы должны быть соединены серебром. Холодные концы спаев следует снабдить ребрами охлаждения. Это небольшие медные пластинки. В силу высокой теплопроводности меди паять ее серебром очень трудно. Но это и не нужно. Поскольку спаи холодные, пластины можно припаять обычным оловянным припоем.

Для более полного использования тепла горелки, батарею следует согнуть кольцом, а чтобы ее пластины не касались друг друга и не было короткого замыкания, проложите между ними кусочки стеклоткани.

А. ИЛЬИН

Рисунки автора