Вирок із відстроченням
Чи набуде масового застосування в автомобілебудуванні газотурбінний двигун?
Після прочитання роману відомого американського письменника Гарольда Роббінса «Бетсі» будь-яка технічно грамотна людина із захопленням і подивом запитує: невже це вимисел? Ні, роман описує реальні події зі створення автомобіля з газотурбінним двигуном. Автомобіля, який відтоді й донедавна вважався утопією.
Одержавши газотурбінний двигун (ГТД), вертоліт став по-справжньому вантажопідйомним, танк навчився рухатися пересіченою місцевістю зі швидкістю 120 км/год., а літак подолав звуковий бар’єр. Навіть суднобудівники все частіше звертаються до цього двигуна, який має за дуже малих розмірів величезну потужність.
ГТД — тепловий двигун, у якому газ стискається й нагрівається за рахунок згоряння палива, а потім його енергія перетворюється в механічну роботу на валу газової турбіни. На відміну від поршневого, у газотурбінному двигуні процеси відбуваються в потоці газу, що рухається. На практиці все виглядає так. Повітря з атмосфери засмоктується лопатями компресора турбіни, стискається в ньому й подається в камеру згоряння, куди одночасно з повітрям через форсунку впорскується паливо. У камері згоряння відбувається процес горіння палива за постійного тиску. Газоподібні продукти згоряння надходять на лопаті силової турбіни, приводячи її в рух.
Газотурбінний двигун з успіхом застосовується як економічне, екологічне й надійне джерело енергії не тільки в стаціонарних силових установках (таких як електростанції), а й у багатьох транспортних засобах. І лише для автомобіля він уважається непридатним. Утім, такого висновку машинобудування дійшло через безліч спроб і помилок.
Невблаганна практика
У 1950 році Boeing разом із фірмою Kenworth першим у світі успішно інсталював під капот магістрального тягача 175-сильну газову турбіну. Важила вона лише 200 фунтів (91 кг) — у тринадцять разів менше, ніж дизель аналогічної потужності. Витрата палива становила 235 л/100 км, що ніяк не могло вважатися економічним. До того ж газотурбінний Kenworth дуже повільно розганявся — дався взнаки значний турболаг (запізнення реакції на подачу палива).
Друга хвиля «турбоманії» почалася 1964 року: сконструйовано Ford Big Red («великий червоний «Форд»). Експериментальний 30-метровий автопоїзд складався з тягача й двох трейлерів. 600-сильна турбіна хоробро розганяла 77-тонний потяг, витрата палива дорівнювала 100 л/100 км. Того ж року на Всесвітньому ярмарку в Нью-Йорку концерн General Motors показав зовсім фантастичну вантажівку — чотиривісний Chevrolet Bison. Дві турбіни розташовувалися над приплющеною кабіною: одна, 300-сильна, працювала постійно, а під час розгону й на підйомах до неї підключалася друга, 700-сильна.
У 1965 році General Motors побудував більш практичний автопоїзд — Turbo Titan III. Тут турбіна розвивала тільки 280 к.с.
Але самими лише вантажівками все не обмежилось: у 1969 році представили газотурбінний автобус RTX, Rapid Transit Experimental. Була ще родина безкапотних тягачів, під стандартними кабінами яких ховалася турбіна. Той же General Motors створив тягач GMC Astro 95 Gas Turbo Special, а Freightliner побудував десять дослідних зразків.
Велися такі розробки й у СРСР. Із 1955 року на Горьківському автомобільному заводі провадилися роботи зі створення газотурбінного двигуна. Однак цілком працездатний двигун ГАЗ-99Б потужністю 175 к.с. з’явився лише в 1962 році. За результатами випробувань отримана мінімальна питома витрата палива 320 г/к.с.год.
Створений у 1965 році «ГАЗ-99В» уже мав потужність 250 к.с. і питому витрату палива 250 г/к.с.год., а сконструйований у 1969-му
«ГАЗ-99Д» розвивав 350 к.с.
У 1977-му був розроблений і затверджений технічний проект уніфікованої родини АГТД ГАЗ, що включає дві моделі: 902.10 потужністю 380 к.с. і 903.10—600 к.с.
Однак першим реальним автомобілем, який використовував ГТД як силову установку, став побудований у 1959 році на базі автобуса «ЗІС-127» дослідний «Турбо-НАМІ-053». Його турбіна була майже вдвічі потужніше, ніж дизель (350 к.с. проти 180), і розганяла автобус до фантастичних 160 км/год. Також велися експерименти з 1200-сильною турбіною Ярославського заводу, якою намагалися оснастити 120-тонний «БІЛАЗ».
Остання спроба ХХ століття «схрестити» автомобіль із ГТД здійснена в 1995 році компанією Volvo — так народилися вантажівка ECT (Environmental Concept Truck, «екологічно чистий концепт-трак») і ECB (те ж, тільки Bus, «автобус»). На жаль, усі згадані моделі так і залишилися надбанням історії, не досягши рівня масового виробництва.
Не для автомобіля
Численні експериментальні спроби оснастити автомобіль газотурбінним двигуном зрештою виявили головні недоліки такого тандема. Ось вони.
Турболаг, або затримка реакції на додавання тяги в 1—2 секунди. Уявіть собі такий автомобіль під час обгону: ви натиснули на газ, і лише через довгих пару секунд автомобіль почав прискорюватися.
Низький ККД за часткових навантажень. Іншими словами, газотурбінний двигун «не вміє» ефективно працювати на холостих і малих обертах. Лише за повних навантажень ГТД за коефіцієнтом корисної дії стає порівнянним із дизелем і навіть перевищує цей показник. На часткові ж навантаження ККД падає у два-три рази. Витрата палива в цьому випадку, звичайно, зростає на стільки ж. У підсумку газотурбінні автомобілі дістали назву «пожирачі палива».
Висока вартість. У звичайному поршневому двигуні процес згоряння відбувається циклічно, чергуючись із процесами впускання свіжої робочої суміші, за рахунок чого охолоджуються поршень і камера згоряння. Таким чином, хоча температура згоряння суміші в деяких моторах досягає 2500°С, самі деталі двигуна ніколи не нагріваються вище 600°С. У газотурбінному ж двигуні процес горіння відбувається весь час. Температура газів, які надходять на лопаті робочої турбіни, становить від 800 до 1600°С. Причому й це — штучно обмежена температура: її примусово знижують через недостатню жароміцність застосовуваних у конструкції матеріалів. Чим більше робоча температура, тим ККД двигуна вище. І тим дорожче застосовувані в конструкції жароміцні матеріали.
Погодьтесь, для автомобільного двигуна такі «гріхи» не можна вибачити, що й робило ГТД непридатним в автомобілебудуванні. Однак надворі ХХІ століття, час нових технологій, підходів та ідей.
Нема лиха без добра
Незважаючи на експериментально доведену недоцільність установки газотурбінного двигуна на автомобіль, машинобудівникам досі не дають спокою головні переваги ГТД. Їх варто назвати окремо.
Велика питома потужність. Точніше, найбільша серед ДВЗ — до 6 кВт/кг. Тобто автомобільний газотурбінний двигун може бути мінімум утричі менше й у десять разів легше звичайних ДВЗ за рівної потужності.
Великий ресурс. Ресурсність ГТД у 2—3 рази вище, ніж у поршневих ДВЗ.
Надійність. Через відсутність у газотурбінному двигуні механізмів, що роблять зворотно-поступальні рухи, завдяки загальній збалансованості й простоті конструкції відмовостійкість ГТД у кілька разів вище, ніж у поршневих ДВЗ.
Невибагливість у паливі. ГТД може працювати на будь-якому пальному, яке можна диспергірувати: бензин, гас, дизельне паливо, мазут, природний газ, суднове паливо, водяний газ, спирт і навіть вугільний або торф’яний пил.
Простота конструкції. Відсутність додаткової рідинної системи охолодження й каталізаторів, кривошипно-шатунного механізму, системи газорозподілу тощо. Загальна кількість деталей у порівнянні з поршневими ДВЗ менше на 30%.
Екологічність. Вихлоп ГТД містить у кілька разів менше шкідливих речовин, ніж відпрацьовані гази поршневого двигуна. Адже робочий процес у турбіні відбувається за надлишкової кількості повітря в паливній суміші, завдяки чому вона згоряє набагато повніше.
Нарешті, треба згадати такий неоднозначний чинник, як економічність газотурбінного двигуна. Неоднозначним його можна вважати з тієї причини, що за стаціонарного застосування (утім, як, наприклад, і в авіації) ГТД дає чудові показники, перевершуючи за економічністю все той же дизель. Однак відбувається це лише під час роботи турбіни на максимальній потужності. Але автомобільний двигун, на відміну від літакового, не може весь час працювати в оптимальному режимі: рухатися автомобілю доводиться з різною швидкістю, а іноді й просто стояти в пробках. Під час же неповних навантажень і на холостому ходу турбіна витрачає в 2—3 рази більше пального, ніж поршневий двигун.
Нова ера ГТД?
Отже, газотурбінний двигун має дуже низьку економічність за часткових навантажень. Смертельний вирок? Щоб відповісти на це запитання, слід згадати про породження нового часу — гібридний автомобіль. Така конструкція має на увазі наявність двигуна внутрішнього згоряння, що розкручує електрогенератор, електричних двигунів, що приводять колеса в рух, і потужного акумулятора, здатного «засвоювати» значну кількість електроенергії «про запас».
А тепер давайте в цю конструкцію замість звичайного поршневого ДВЗ поставимо ГТД, якому тепер більше ніщо не заважає працювати на максимальній потужності, тобто в найбільш економічному режимі. Надлишок невикористаної електродвигунами енергії з легкістю поглине акумулятор. Коли ж батарея буде повністю заряджена, турбіну можна просто відключити. Витончене рішення, чи не так? Яке ліквідує, до того ж, ще один знач-ний недолік газотурбінного двигуна — турболаг.
Саме такого висновку й дійшли конструктори з Jaguar Land Rover разом із фахівцями компанії Bladon Jets. Спільними зусиллями вони у 2007 році почали розробку «першого у світі комерційно життєздатного, екологічно нешкідливого газотурбінного електрогенератора виключно для автомобільного застосування».
Новий генератор Ultra Lightweight Range Extender (ULRE) наразі вже втілений у спортивному концепт-карі Jaguar C-X75. Дві турбіни Bladon Jets, установлені на концепті, розвивають потужність 188 к.с. кожна, а розмірами не набагато перевищують людську долоню. Сукупна потужність чотирьох електродвигунів — 780 к.с. за максимального крутного моменту 1600 Нм. Це дозволяє прискорювати C-X75 до «сотні» лише за 3,4 секунди й досягати максимальної швидкості 330 км/год. Про витрату палива треба сказати окремо: це 7,5 л дизельного палива, гасу або біоетанолу (спирту) на 100 км. Надзвичайна економічність цього автомобіля дозволяє на одному заправленні пройти відстань понад 900 км.
Показники приголомшливі. Утім, цього й слід було чекати від старого, доброго, потужного та надійного ГТД, який нарешті знайшов спосіб подружитися з автомобілем.
Залишається тільки дочекатися масового втілення розробок компанії Jaguar Land Rover у життя й сподіватися, що цього разу газотурбінні автомобілі знайдуть своє пристановище в гаражах звичайних громадян, а не в музеї.
