Приговор с отсрочкой

Найдет ли массовое применение в автомобилестроении газотурбинный двигатель?

После прочтения романа известного американского писателя Гарольда Роббинса «Бетси» любой технически грамотный человек остается в восхищении и недоумении: неужели это вымысел? Нет, роман описывает реальные события в связи с созданием автомобиля с газотурбинным двигателем. Автомобиля, который с тех пор и до недавнего времени считался утопией.

Получив  (ГТД), вертолет стал по-настоящему грузоподъемным, танк научился двигаться по пересеченной местности со скоростью 120 км/ч, а самолет преодолел звуковой барьер. Даже судостроители все чаще обращаются к этому двигателю, обладающему при очень малых размерах огромной мощностью.

ГТД — тепловой двигатель, в котором газ сжимается и нагревается за счет сгорания топлива, а затем его энергия преобразуется в механическую работу на валу газовой турбины. В отличие от поршневого, в газотурбинном двигателе процессы происходят в потоке движущегося газа. На практике все выглядит следующим образом. Воздух из атмосферы засасывается лопатками компрессора турбины, сжимается в нем и подается в камеру сгорания, куда одновременно с воздухом через форсунку впрыскивается топливо. В камере сгорания происходит процесс горения топлива при постоянном давлении. Газообразные продукты сгорания поступают на лопатки силовой турбины, приводя ее во вращение.

Газотурбинный двигатель с успехом применяется в качестве экономичного, экологичного и надежного источника энергии не только в стационарных силовых установках (таких как электростанции), но и во многих транспортных средствах. И лишь для автомобиля он считается неприменимым. Впрочем, к такому выводу машиностроение пришло через множество проб и ошибок.

Неумолимая практика

В 1950 году Boeing совместно с фирмой Kenworth первым в мире успешно инсталлировал под капот магистрального тягача 175-сильную газовую турбину. Весила она всего 200 фунтов (91 кг) — в тринадцать раз меньше, нежели дизель аналогичной мощности. Потребление топлива составляло 235 л/100 км, что никак не могло считаться экономичным. К тому же газотурбинный Kenworth очень медленно разгонялся – сказывался значительный турболаг (запаздывание реакции на подачу топлива).

Вторая волна «турбомании» началась в 1964 году: сконструирован Ford Big Red («большой красный «Форд»). Экспериментальный 30-метровый автопоезд состоял из тягача и двух трейлеров. 600-сильная турбина лихо разгоняла 77-тонный состав, расход топлива равнялся 100 л/100 км. В том же году на Всемирной ярмарке в Нью-Йорке концерн General Motors показал совсем уж фантастический грузовик — четырехосный Chevrolet Bison. Две турбины располагались над приплюснутой кабиной: одна, 300-сильная, работала постоянно, а при разгоне и на подъемах к ней подключалась вторая, 700-сильная.

В 1965 году General Motors построил более практичный автопоезд — Turbo Titan III. Здесь турбина развивала всего 280 л.с.

Но одними грузовиками дело не закончилось: в 1969 году представили газотурбинный автобус RTX, Rapid Transit Experimental. Было еще семейство бескапотных тягачей, под стандартными кабинами которых скрывалась турбина. Тот же General Motors создал тягач GMC Astro 95 Gas Turbo Special, а Freightliner построил десять опытных образцов.

Велись подобные разработки и в СССР. С 1955 года на Горьковском автомобильном заводе осуществлялись работы по созданию газотурбинного двигателя. Однако полностью работоспособный двигатель ГАЗ-99Б мощностью 175 л.с. появился лишь в 1962 году. По результатам испытаний получен минимальный удельный расход топлива 320 г/л.с.ч.

Созданный в 1965 году «ГАЗ-99В» уже имел мощность 250 л.с. и удельный расход топлива 250 г/л.с.ч., а сконструированный в 1969-м «ГАЗ-99Д» развивал 350 л.с. В 1977-м был разработан и утвержден технический проект унифицированного семейства АГТД ГАЗ, включающего две модели: 902.10 мощностью 380 л.с. и 903.10—600 л.с.

Однако первым реальным автомобилем, использовавшим ГТД в качестве силовой установки, стал построенный в 1959 году на базе автобуса «ЗИС-127» опытный «ТурбоНАМИ-053». Его турбина была почти в два раза мощнее, нежели дизель (350 л.с. против 180), и разгоняла автобус до фантастических 160 км/ч. Также велись эксперименты с 1200-сильной турбиной ярославского завода, которую пытались внедрить в 120-тонный «БЕЛАЗ».

Последняя попытка ХХ века «скрестить» автомобиль с ГТД осуществлена в 1995 году компанией Volvo — так родились грузовик ECT (Environmental Concept Truck, «экологически чистый концепт-трак») и ECB (то же, только Bus, «автобус»). Увы, все вышеперечисленные модели так и остались достоянием истории, не достигнув уровня массового производства.

Не для автомобиля

Множественные экспериментальные попытки оснастить автомобиль газотурбинным двигателем в конце концов выявили главные недостатки подобного тандема. Вот они.

Турболаг, или задержка реакции на добавление тяги в 1—2 секунды. Представьте себе такой автомобиль во время обгона: вы нажали на газ, и лишь через долгих пару секунд автомобиль начал ускоряться.

Низкий КПД при частичных нагрузках. Иными словами, газотурбинный двигатель «не умеет» эффективно работать на холостых и малых оборотах. Лишь при полных нагрузках ГТД по коэффициенту полезного действия становится сравнимым с дизелем и даже превышает этот показатель. На частичных же нагрузках КПД падает в два-три раза. Расход топлива в этом случае, естественно, возрастает во столько же. В итоге газотурбинные автомобили получили название «пожиратели топлива».

Высокая стоимость. В обычном поршневом двигателе процесс сгорания происходит циклически, перемежаясь с процессами впуска свежей рабочей смеси, за счет чего происходит охлаждение поршня и камеры сгорания. Таким образом, хотя температура сгорания смеси в некоторых моторах достигает 2500 градусов цельсия, сами детали двигателя никогда не нагреваются выше 600 градусов цельсия. В газотурбинном же двигателе процесс горения происходит постоянно. Температура газов, поступающих на лопатки рабочей турбины, составляет от 800 до 1600 градусов цельсия. Причем и это – искусственно ограниченная температура: ее принудительно снижают ввиду недостаточной жаропрочности применяемых в конструкции материалов. Чем больше рабочая температура, тем КПД двигателя выше. И тем дороже обходятся применяемые в конструкции жаропрочные материалы.

Согласитесь, для автомобильного двигателя такие «грехи» непростительны, что и делало ГТД неприменимым в автомобилестроении. Однако на дворе ХХI век, время новых технологий, подходов и идей.

Нет худа без добра

Несмотря на экспериментально доказанную нецелесообразность установки газотурбинного двигателя на автомобиль, машиностроителям до сих пор не дают покоя главные достоинства ГТД. Их стоит перечислить отдельно.

Большая удельная мощность. Точнее, самая большая среди ДВС – до 6 кВт/кг. То есть автомобильный газотурбинный двигатель может быть минимум в три раза меньше и в десять раз легче обычных ДВС при равной мощности.

Большой ресурс. Ресурсность ГТД в 2—3 раза выше, чем у поршневых ДВС.

Надежность. Ввиду отсутствия в газотурбинном двигателе механизмов, совершающих возвратно-поступательные движения, благодаря общей сбалансированности и простоте конструкции отказоустойчивость ГТД в несколько раз выше, чем у поршневых ДВС.
Неприхотливость в топливе. ГТД может работать на любом горючем, которое можно диспергировать: бензин, керосин, дизельное топливо, мазут, природный газ, судовое топливо, водяной газ, спирт и даже угольная либо торфяная пыль.

Простота конструкции. Отсутствие дополнительной жидкостной системы охлаждения и катализаторов, кривошипно-шатунного механизма, системы газораспределения и т.д. Общее количество деталей в сравнении с поршневыми ДВС меньше на 30%.

Экологичность. Выхлоп ГТД содержит в несколько раз меньше вредных веществ, чем отработанные газы поршневого двигателя. Ведь рабочий процесс в турбине осуществляется при избыточном количестве воздуха в топливной смеси, благодаря чему сгорание проходит гораздо полнее.

Наконец, стоит упомянуть такой неоднозначный фактор, как экономичность газотурбинного двигателя. Неоднозначным его можно считать по той причине, что при стационарном применении (впрочем, как, например, и в авиации) ГТД дает замечательные показатели, превосходя по экономичности все тот же дизель. Однако происходит это лишь во время работы турбины на максимальной мощности. Но автомобильный двигатель, в отличие от самолетного, не может все время работать в оптимальном режиме: двигаться автомобилю приходится с разной скоростью, а иногда и просто стоять в пробках. Во время же неполных нагрузок и на холостом ходу турбина расходует в 2—3 раза больше горючего, чем поршневой двигатель.

Новая эра ГТД?

Итак, газотурбинный двигатель имеет очень низкую экономичность при частичных нагрузках. Смертельный приговор? Чтобы ответить на этот вопрос, следует вспомнить о порождении нового времени — гибридном автомобиле. Такая конструкция подразумевает наличие двигателя внутреннего сгорания, раскручивающего электрогенератор, электрических двигателей, приводящих колеса в движение, и мощного аккумулятора, способного «усваивать» значительное количество электроэнергии «про запас».

А теперь давайте в эту конструкцию вместо обычного поршневого ДВС поставим ГТД, которому теперь больше ничто не мешает работать на максимальной мощности, то есть в самом экономичном режиме. Избыток неиспользованной электродвигателями энергии с легкостью поглотит аккумулятор. Когда же батарея окажется полностью заряженной, турбину можно попросту отключить. Изящное решение, не правда ли? Которое ликвидирует, к тому же, еще один значительный недостаток газотурбинного двигателя – турболаг.

Именно к такому выводу и пришли конструкторы из Jaguar Land Rover вместе со специалистами компании Bladon Jets. Совместными усилиями они в 2007 году начали разработку «первого в мире коммерчески жизнеспособного, экологически безвредного газотурбинного электрогенератора, разработанного исключительно для автомобильного применения».

Новый генератор Ultra Lightweight Range Extender (ULRE) на сегодняшний день уже воплощен в спортивном концепт-каре Jaguar C-X75. Две турбины Bladon Jets, установленные на концепте, развивают мощность 188 л.с. каждая, а размерами не намного превышают человеческую ладонь. Совокупная мощность четырех электродвигателей — 780 л.с. при максимальном крутящем моменте 1600 Нм. Это позволяет ускорять C-X75 до «сотни» всего за 3,4 секунды и достичь максимальной скорости 330 км/ч. О расходе топлива стоит сказать отдельно: 7,5 л дизельного топлива, керосина или биоэтанола (спирта) на 100 км. Чрезвычайная экономичность этого автомобиля позволяет на одной заправке пройти расстояние более 900 км.

Показатели потрясающие. Впрочем, этого и следовало ожидать от старого, доброго, мощного и надежного ГТД, который наконец нашел способ подружиться с автомобилем.

Остается лишь дождаться массового воплощения разработок компании Jaguar Land Rover в жизнь и надеяться, что в этот раз газотурбинные автомобили найдут свое пристанище в гаражах обычных граждан, а не в музее.