Что такое газотурбинные двигатели, почему они не прижились в обычных машинах и как их будут использовать в гибридах
Инженеры вновь пытаются скрестить электромобили с самолетами

Techrules Ren

На проходящем в Женеве автосалоне сразу два автопроизводителя представили концептуальные машины с гибридными силовыми установками, в которых батареи заряжаются миниатюрными газотурбинными двигателями. Обе машины, к слову, китайские. Это седан Hybrid Kinetic H600 с элегантным дизайном от Pininfarina и суперкар Techrules Ren с футуристичной внешностью работы Джорджетто Джуджаро.

Не надо думать, что в данном техническом направлении трудятся лишь китайцы. Несколько лет назад никто иной как Jaguar показал гибридный концепт C-X75 с теми же микротурбинами. Так что же это за технология?

Газотурбинные двигатели впервые нашли серийное применение в конце Второй мировой войны, но… в авиации, на немецких истребителях Messerschmitt. В последующие 20 лет они фактически полностью вытеснили поршневые ДВС в военной и гражданской авиации, в прямом смысле спустив их с небес на землю. Моторы отечественных Ту и Superjet, европейских Airbus и американских Boeing — все это газотурбинные двигатели.

Их принцип действия прост. В камере сгорания воспламеняется топливо, газы под давлением подаются на лопасти турбины, турбина вращается. На одном валу с турбиной расположены лопасти компрессора, который, будучи приводим в движение от турбины, нагнетает воздух в камеру сгорания.

Газотурбинный двигатель
Газотурбинный двигатель

В авиации на том же валу спереди может располагаться винт (как, например, на самолетах Ан-24), а может более мощный компрессор, который прогоняет воздух через весь двигатель, создавая воздушную струю и тягу для самолета. При этом к валу газотурбинного двигателя можно прицепить не только винт или тяговый компрессор, но и что-то другое. Например, электрогенератор или коробку передач, а через нее соединить такой мотор с колесами автомобиля.

Как видите, все выглядит гораздо проще, чем в поршневом ДВС. Так и есть — проще. Меньше деталей, меньше трущихся частей — это одно из преимуществ газотурбинных двигателей. Второе неоспоримое преимущество — это высокая удельная мощность. Иными словами при равной отдаче газотурбинные моторы в несколько раз легче и компактнее поршневых. Именно этот факт определил их доминирование в авиастроении.

Есть, однако, и существенные недостатки. Именно с ними столкнулись автомобильные конструкторы при попытке установить такой мотор под капот автомобиля. Попыток было много: в США, в Европе и даже в СССР — наши инженеры, в частности, экспериментировали с автобусами.

Выяснилось, что такой мотор потребляет очень много топлива в переходных режимах: на холостом ходу и при наборе скорости. Конструкцию попытались усложнить, применив не один вал, а два: на первом располагался компрессор и малая турбина, которой хватало для вращения компрессора и обеспечения холостого хода. А на втором — основная турбина и отбор мощности на автоматическую коробку передач. На холостом ходу газы на вторую турбину не подавались. А при старте с места открывались заслонки, поток газа направлялся на лопасти тяговой турбины и машина ехала. Такая конструкция, к слову, позволила отказаться от механизма сцепления или гидротрансформатора — поскольку два вала не имели механической связи друг с другом автомобиль не мог заглохнуть.

Techrules Ren
Techrules Ren

Тем ни менее, расход топлива все равно был выше, чем у поршневых двигателей во всех режимах кроме равномерного движения по трассе. Всплыли и другие недостатки, но о них — позже.

Так или иначе, где-то с 70-х годов XX века от идеи отказались. До тех пор, пока не началась нынешняя гибридно-электрическая революция.

Дело было в далеком 2011 году. Компания Opel тогда пригласила журналистов из России в Нидерланды на тест-драйв подзаряжаемого гибрида Ampera (он же Chevrolet Volt), который в General Motors почему-то называли электрокаром.

После поездки у журналистов, в том числе у меня, накопилось много вопросов относительно устройства машины. Отвечать на них пришлось тогдашнему главе электрического подразделения Opel Кристиану Кунстману. Меня интересовало в частности, почему конструкторы выбрали в качестве ДВС для гибрида наиболее архаичный и неэффективный бензиновый атмосферный мотор объемом 1,4 литра.

Jaguar C-X75
Jaguar C-X75

Поскольку концепт Jaguar C-X75 тогда уже представили, я спросил у доктора Кунстмана, что он думает насчет того, чтобы установить под капот Opel Ampera микротурбину вместо поршневого ДВС. Ответ меня удивил.

«Это был бы лучший вариант», — признался инженер. «Однако главная проблема заключается в том, что у нас нет таких двигателей. Для их производства пришлось бы полностью перестроить все заводы. Это огромные инвестиции. Но если бы нам пришлось строить моторный завод с нуля, то мы бы крепко задумались над тем, какие двигатели для гибридов там выпускать — поршневые или газотурбинные».

Действительно, если микротурбина не связана ни с колесами, ни с коробкой передач, а лишь вращает генератор, работая в режиме постоянной тяги — значит все проблемы с высоким расходом топлива в переходных режимах отпадают сами собой? Все так. Вот почему китайцы, у которых в отличие от Opel нет заводов поршневых двигателей, и строить предстоит с нуля, сейчас уцепились за эту идею. Увы, расход топлива — не единственный недостаток.

Первый нерешенный минус газотурбинного двигателя — очень высокая температура газов, попадающих на лопасти турбины. В авиации с этим борются за счет использования дорогих термостойких сплавов, но в массовом автомобилестроении это не применимо из-за высокой стоимости.

Hybrid Kinetic H600
Hybrid Kinetic H600

Решить проблему еще в 50-е годы пытались за счет теплообменников, которые нагревают входящий воздух и охлаждают газы, выходящие из камеры сгорания. Это повышает КПД и бережет турбину, но заметно усложняет конструкцию двигателя. И китайцам надо иметь это в виду.

Есть и другие сложности. В частности, газотурбинным моторам надо значительно больше воздуха, чем поршневым двигателям. Причем воздуха чистого. У самолетов нет с этим проблем. А у машин — есть. Необходимые воздушные фильтры достигают такого размера, что преимущество микротурбин компактности полностью сводится на нет.

Вы, возможно, в курсе, что газотурбинные моторы пробовали применять на серийных танках: советском Т80 и американском «Абрамсе». Военных привлекло сочетание мощности и компактности мотора. Увы, простые танкисты жаловались на необходимость постоянно чистить огромные воздушные фильтры. И на колоссальный расход топлива — тоже.

Наконец, последний недостаток — токсичность. Опять же, это следствие повышенного расхода топлива в промежуточных режимах. Создатели концептов Techrules и особенно Hybrid Kinetic H600 уверяют, что их микротурбины экологичнее поршневых ДВС. Но точных данных пока не приводят.

В любом случае, все показанные гибридные автомобили, использующие подобную технологию — пока лишь концепты и их серийное будущее покрыто туманом. Но согласитесь, звучит заманчиво!

Сергей Иванов
Сергей Иванов
Главный редактор
http://evmode.ru

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *