Почему газотурбинные автомобили не пошли в массовое производство?

ДВС резко контрастирует с давно укоренившимся господством газотурбинных двигателей (ГТД) в авиации и судостроении и совершенно не вписывается в образы будущего, созданные футуристами XX века.

Даже супермодные гибридные автомобили используют те же поршневые моторы, а турбины в автотракторной технике нашли надёжное применение лишь для нагнетания воздуха в поршневой ДВС.

Неужели в ходе истории автомобилестроения никому не приходило в голову заменить эту «поршневую тарахтелку» на «благородно поющую» турбину? Оказывается, приходило, и не раз. Причём началось это довольно давно.

Краткий экскурс в историю

В 1950−1970-х годах в разных странах велись работы по созданию газотурбинных седельных тягачей, магистральных автобусов и даже легковых автомобилей.

Многие из них для привлечения внимания были также нашпигованы другими (в т. ч. экзотическими) техническими новшествами и имели эпатажный футуристический дизайн.

В 1970-х в разных странах (в т. ч. в СССР) были разработаны и испытаны газотурбинные сельскохозяйственные тракторы.

В 1960−1970-е годы в СССР несколько заводов разрабатывали газотурбинные автомобили, в т. ч. в инициативном порядке.

Наиболее успешной была разработка газотурбинного двигателя ГАЗ‑99ДМ для седельного тягача, которая велась Горьковским автозаводе совместно с НАМИ с конца 1960-х по начало 1980-х годов. Этот мощный ГТД также планировалось применять на военных грузовиках Кременчугского автозавода.

Почему же ни одна из этих смелых разработок автомобилестроения не была поставлена на конвейер? Рассмотрим этот вопрос с технической точки зрения.

Проблемы и перспективы

Газотурбинные двигатели имеют следующие преимущества перед поршневыми:

1. Потенциально более высокая надёжность и простота обслуживания (связано с простотой конструкции, отсутствием возвратно-поступательного движения и меньшим числом подвижных частей).
2. Более широкий диапазон частоты вращения выходного вала.
3. Меньший вес и габариты.

Однако последнее преимущество при ближайшем рассмотрении является очень условным, вскрывая основной недостаток ГТД перед поршневым ДВС.

Газотурбинные автомобили 1950-х годов производили сильное впечатление полупустым подкапотным пространством. Но этот «трюк» удавался за счёт большого потребления топлива. Дело в том, что КПД (экономичность) ГТД довольно низкий, поскольку около 2/3 мощности турбины тратится на привод компрессора, подающего воздух в камеру сгорания.

При этом температура выхлопных газов турбины очень высока. Избыточную (недоиспользованную) тепловую энергию можно использовать для повышения экономичности двигателя: например, нагревать топливо или воздух (после сжатия компрессором ГТД) перед подачей в камеру сгорания. Для этого в 1960-х годах в составе автомобильных ГТД появились теплообменники.

С применением теплообменника расход топлива и температура выхлопа снизились, но всё же недостаточно. Например, утверждается, что компания Chrysler держала в секрете реальный расход топлива своей газотурбинной легковушки, а её выхлоп поджигал траву и заборы в 2 м за собой.

Применение более мощного теплообменника делает транспортное средство с ГТД более тяжёлым, громоздким и дорогим, чем с поршневым ДВС.

В советском ГТД ГАЗ‑99 был использован роторный теплообменник особой конструкции, что значительно повышало топливную эффективность двигателя в сравнении с аналогами. Но и здесь она была, по-видимому, недостаточной.

К указанной проблеме ГТД также добавляются его следующие принципиальные недостатки:

• медленная реакция при воздействии на педаль газа (благодаря инерции ротора);
• разрушительное воздействие пыли на рабочие лопатки (более актуально для внедорожной и карьерной техники).

Для автомобиля с прямым механическим приводом от ГТД на колёса оптимальным является режим движения с постоянной скоростью.

Позитивная сторона

Проблемы инертности и недостаточной экономичности ГТД могут быть решены путём использования его в составе гибридного привода. Гибридный автомобиль — это электромобиль с собственной электростанцией на борту, которая может быть выполнена на основе не только поршневого, но и газотурбинного двигателя.

Электростанция заряжает накопители электроэнергии, которые питают тяговый электродвигатель. Нажимая на «газ», водитель управляет электродвигателем, что обеспечивает быструю реакцию автомобиля, на которую инерция ГТД не влияет.

Дополнительный «бонус» этой схемы — возможность «рекуперации энергии торможения»: при торможении колёса крутят электрогенератор, в связи с чем удаётся вернуть часть энергии, затраченной ранее на разгон машины.

В 1990−2000-х годах в США и Западной Европе были разработаны малые стационарные электростанции мощностью 30−200 кВт с принципиально новыми ГТД, оснащёнными компактными эффективными пластинчатыми теплообменниками оригинальной конструкции.

Несколько компаний в разных странах разработали гибридные городские автобусы с использованием этих установок.

Тем не менее эти газотурбинные установки дороги и имеют конструктивные недостатки. Для создания надёжных недорогих турбо-гибридных автомобилей необходима разработка целой линейки специальных ГТД и обеспечение их достаточно массового сбыта. Однако масштабность данной задачи делает её весьма проблематичной для частных компаний.

Таким образом, можно подытожить, что технологический уровень XX века не позволял создать достаточно компактный и экономичный газотурбинный двигатель для автомобиля. В настоящее же время автомобильный газотурбинный двигатель с прямым механическим приводом на колёса потерял актуальность и имеет смысл только в составе гибридного привода. Современные технологии и имеющиеся наработки вполне позволяют создать дешёвый и эффективный газотурбинный «гибрид» для самого широкого применения, но эта технология требует политической воли и больших инвестиций.