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 не была поставлена на конвейер? Рассмотрим этот вопрос с технической точки зрения.
Время на подготовку есть
У российской экономики есть время подготовиться, считает главный редактор российской версии портала об электромобилях InsideEVs сергей Иванов.
По его словам, сейчас насчет очень сложно говорить о том, как повлияют планы ЕС на локализованное в России производство. Однако, оно несомненно будет. Речь идет о постепенном переходе на совершенно новые автомобильные платформы, которые требуют не только отказа от ДВС в пользу электромоторов, но и принципиально новых сборочных линий.
Как считает Дмитрий Баранов, ведущий эксперт УК «Финам Менеджмент», у российских автопроизводителей есть больший запас по времени на переход к электромобилям и двигателям на неископаемом топливе
По его словам, до объявленной даты пройдёт еще полтора десятилетия, за которое те отрасли, которых это мера касается, успеют подготовиться и внести необходимые изменения в свою работу.
Европейские планы и российские реалии
Отмахнуться от этих планов, аргументируя тем, что России они не коснутся, не получится — коснутся и достаточно серьезно. Ведь решение Евросоюза напрямую определит производственную программу и планы по созданию новых моделей, их проектированию, производству запчастей и расходных материалов для вторичного рынка. Фактически, уже очень скоро может встать вопрос о рентабельности локализованных в России автозаводов. Как заявлял в 2019 году изданию «Известия» руководитель «АСМ Холдинга» Александр Ковригин, в прошлом возглавлявший экономическое управление Минавтопром СССР, локализация производства в среднем составляет 40%, если не брать такие марки как Hyundai, АвтоВАЗ и Renault.
Для иностранных брендов российский рынок хоть и важен, но не критичен. Прежде всего — из-за своего объема, который по разным оценкам составляет 1,5−2 млн автомобилей в год. Другой фактор, отрицательно влияющий на рентабельность — налоговое законодательство.
Кроме того, нельзя сбрасывать со счетов антиавтомобильную политику, которую проводят власти крупных российских мегаполисов, что также не может не влиять на продажи.
Что немцу хорошо то русскому смерть?
Аргументы скептиков о том, что электромобиль непригоден для использования в России по причине плохих дорог или климата, наши собеседники отвергли.
Как отметил Сергей Иванов, по оценке KPMG, Россия отличается от остальной Европы тем, что у нас главной преградой к росту продаж электромобилей является не отсутствие инфраструктуры, а цена новых машин. И эта преграда, по его мнению, будет устранена с появлением доступных электромобилей, или большого предложения на рынке подержанных электрокаров. Кроме того, автоконцерны могут вернуться к схеме крупноузловой сборки, но здесь все будет зависеть от объема российского рынка и предложенных российскими властями условий. Дмитрий Баранов в комментарии нашему издании выдвинул и парадоксальное предположение о том, что европейские ограничения могут привести к приходу в Россию новых производств
Другой и более реальный аргумент против электромобилей — отсутствие инфраструктуры, хотя положение о развитии электромобильности зафиксировано в дорожной карте НТИ Автонет еще в 2020 году в пунктов 7 и 8. «Создание системы мер по стимулированию использования экологически чистого транспорта».
Проблемы и перспективы
Газотурбинные двигатели имеют следующие преимущества перед поршневыми:
- Потенциально более высокая надёжность и простота обслуживания (связано с простотой конструкции, отсутствием возвратно-поступательного движения и меньшим числом подвижных частей).
- Более широкий диапазон частоты вращения выходного вала.
- 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.
Схема ГТД компании Chrysler с двумя роторными теплообменниками (температуры указаны для режима холостого хода)Фото: ru.wikipedia.org
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.
Текущее положение
В настоящий момент наблюдается очевидное количественное превосходство поперечно расположенных моторов над продольными. Именно их в большинстве своём предпочитают использовать автопроизводители.
Хотя при этом специалисты и эксперты в области конструирования признают, что продольное размещение позволяет получить от силовой установки её максимально возможную производительность. То есть такой тип обладает лучшей эффективностью.
Отсюда возникает закономерный вопрос. Не совсем понятно, почему при превосходстве по производительности на стороне продольников, чаще всего автокомпании предпочитают размещать моторы в подкапотном пространстве поперёк.
Тут важно заметить, что способ размещения силового агрегата влияет не только на эффективность его работы и получаемые на выходе технические характеристики. Они играют большую роль, но не всегда являются приоритетным
Также расположение непосредственно влияет на дизайн автотранспортного средства.
В процессе разработки двигателей, конструкторам и инженерам приходится решать несколько вопросов одновременно:
- как располагать ДВС при заднеприводной комплектации;
- как оставить место для других узлов, связанных с мотором и другими автомобильными системами;
- насколько сильной будет нагрузка на кузов от установленного агрегата;
- как оставить максимум свободного места для салона, чтобы не лишать водителя и пассажиров необходимого комфорта и пр.
Вопросов действительно много, но задача одна. Она заключается в необходимости создания двигателя с оптимальным вариантом размещения для конкретного автотранспортного средства.
Если говорить об ориентации силовой установки применительно к переднеприводным машинам, то у продольного и поперечного расположения имеются свои сильные и слабые стороны. Они могут непосредственно влиять на управляемость автомобиля, уровень комфорта и технические характеристики.
Разработчики, выбирая оптимальную ориентацию, учитывают совокупность всех особенностей, нюансов, сильных и слабых сторон, стараясь минимизировать негативные момента и сгладить их имеющимися преимуществами. В результате они делают выбор в пользу продольного или же поперечного расположения ДВС.
Чтобы лучше понимать особенности каждого из вариантов ориентации силовой установки, их следует рассмотреть отдельно.
Поперечная ориентация
Для начала следует изучить поперечные двигатели. Если смотреть в направлении движения транспортного средства, то такие моторы стоят перпендикулярно. Фактически можно сказать, что в подкапотном пространстве они стоят горизонтально.
Такой вариант с поперечным расположением двигателя обычно применяется на переднеприводных авто, где ДВС ставится в передней части машины. Как утверждают специалисты, автомобили с поперечным вариантом ориентации силового агрегата массово начали появляться после выхода в свет первых автомобилей производства компании Mini. Конструкторы из Великобритании считаются первопроходцами в области передачи момента от силовой установки на колёса с помощью тяг. Во многом решение является революционным и инновационным для своего времени. Тем самым конструкторам удалось решить одну из ключевых проблем, что позволило с максимальной эффективностью использовать предельно компактные подкапотные пространства, параллельно обеспечив двигатель достаточно высокими показателями мощности.
В итоге поперечная компоновка позволила в условиях ограниченного подкапотного пространства, актуального для маленьких городских автомобилей Mini, буквально втиснуть туда двигатель со сравнительно большим объёмом.
Если говорить применительно к суперкарам, действительно мощным и высокоэффективным автомобилям, то здесь практически никто поперечную ориентацию не использовал. Но среди правил есть свои заметные исключения. Ярким примером суперкара, который выбрал горизонтальный вариант расположения высокомощной и производительной установки, стала модель Miura производства итальянской компании Lamborghini.
Как отмечают сами конструкторы, основной особенностью поперечников является разная длина приводных валов, которые отвечают за передачи тяги двигателя от самого силового агрегата непосредственно к колёсам автомобиля. Тут дело всё в том, что потребовалось располагать коробку передач по одну из сторон мотора, который при этом стоял ровно по центру подкапотного пространства для обеспечения необходимого баланса авто. Из-за этого приводные валы, устанавливаемые через шарниры равных угловых скоростей, то есть ШРУСы, получили несколько разную длину. Это не могло не отразиться на неравномерности износа компонентов.
Если сравнивать с поперечной ориентацией двигателя, у продольных ДВС приводные валы обладают одинаковыми параметрами длины, поскольку в этой ситуации коробка и сам мотор фактически стоят друг за другом. Они располагаются на одной осевой линии.
Подводим итоги
Определить победителя среди продольно или поперечно расположенных двигателей сложно. Это сделать практически невозможно.
Объективно сказать, какое расположение двигателя действительно лучше, они сопоставлять поперечное или продольное ориентирование в подкапотном пространстве, нельзя. И тому есть свои объяснения. А именно:
- Спор относительной того, какой двигатель лучше, фактически не имеет никакого смысла. Сравнивать поперечный и продольный способ установки не корректно, поскольку каждый из них обладает своими сильными и слабыми сторонами, количество которых одинаковое;
- Оба варианта ориентации преследуют разные цели и ориентированы на различные автомашины;
- Поперечные ДВС подходят под малолитражки, компактные городские автомашины с передним приводом. Это оптимальный вариант для ситуаций, когда основную роль играет компактность машины с необходимостью сохранить достаточное свободное пространство в салоне;
- Моторы-продольники созданы для мощных заднеприводных и переднеприводных автомобилей с повышенной производительностью и эффективностью работы силовой установки. Крупные габариты позволяют исключить проблемы с дефицитом места в салоне, тем самым комфорт и эргономика не страдают;
- Во всех ситуациях есть свои исключения. То есть продольную ориентацию могут применять на некоторых суперкарах, внедорожниках и полноприводных автомашинах. Также поперечные моторы встречаются на достаточно компактных автотранспортных средствах.
В результате можно с уверенностью говорить о том, что каждый способ размещения силовой установки в подкапотном пространстве имеет абсолютное право на своё существование.
За счёт возможности выбора, у инженеров и автопроизводителей появляется возможность использовать оптимальное расположение для решения конкретной инженерной задачи. Поскольку к машинам предъявляются разные требования, они обладают различными характеристиками и возможностями, для каждой ситуации требуется определённый вариант размещения. Тем самым минимизируются недостатки, удаётся грамотно распорядиться подкапотным пространством, правильно подойти к организации салона автотранспортного средства и пр.
В завершении можно сказать, что каждое расположение нашло свою нишу в сфере автопроизводства. И лишь изредка они заглядывают друг к другу.
