Сравнение автомобилей с различными типами двигателей

устройство ДВС

Следует сразу сказать, что паровые и электрические автомобили не выдерживают сравнения с другими типами автомобиля. Весьма низкая экономичность, большой вес и трудности в эксплуатации, связанные со значительным временем приведения установки в готовность, не позволяют широко применять паровые автомобили, и никакие положительные особенности не могут этот тип автомобиля сделать сравнимым с современным бензиновым автомобилем. Электрические автомобили имеют малый запас хода, большой вес двигателей, требуют большого расхода дефицитных материалов и наличия широкой сети зарядных станций. Эти обстоятельства не позволяют и электромобилю стать автомобилем общего назначения.

Остается сравнить обычные и газотурбинные автомобили. Этому вопросу в отечественной и зарубежной литературе уделяется весьма большое внимание. Со времени начала блестящего опыта применения газотурбинных двигателей в авиации в различных статьях не прекращаются высказывания о том, что газотурбинный автомобиль будет способен конкурировать с обычным
автомобилем.

Сейчас серийного выпуска газотурбинных автомобилей нет ни в одной стране, несмотря на более чем пятнадцатилетнюю напряженную работу мощных научно-исследовательских и конструкторских организаций. Проблема экономичности газотурбинного автомобиля еще не решена. Попытки улучшения экономичности влекут за собой потерю преимуществ, присущих газотурбинному автомобилю.

Если говорить о способности газотурбинного двигателя конкурировать с поршневым двигателем на грузовых автомобилях (особенно большегрузных) и автобусах, то следует иметь в виду, что в этих случаях газовую турбину приходится сопоставлять не только с бензиновым, но и с дизельным двигателем, а в этом случае сравнение по экономичности оказывается особенно невыгодным для газовой турбины.

Учитывая сказанное можно констатировать, что для сегодняшнего дня и ближайшего будущего двигатель внутреннего сгорания остается единственным практически выгодным типом автомобильного двигателя. Говорить о замене поршневого двигателя на автомобиле преждевременно. Следует совершенствовать рабочий процесс и конструкцию поршневого двигателя. Этой задаче и подчинен дальнейший анализ развития конструкции автомобильного двигателя.

Естественно, что совершенствуя основной тип автомобильного двигателя, необходимо проводить и поисковые работы по отысканию принципиально новых процессов и схем преобразования тепла топлива в работу движения автомобиля.
Учитывая, что на развитие конструкции двигателя сильное влияние оказывало и оказывает общее развитие автомобильной промышленности, перед рассмотрением путей развития конструкции рассмотрим этапы развития автомобильной промышленности.

ГТУ со свободнопоршневыми генераторами газа

ГТУ со свободнопоршневыми генераторами газа

Многие из недостатков газотурбинных двигателей устраняются при применении на автомобиле вместе с газотурбинной установкой свободнопоршневых генераторов газа. В этом случае экономичность становится такой же, как и у поршневого двигателя, а в некоторых случаях выше. Однако при применении свободнопоршневых генераторов газа устраняются и основные преимущества газотурбинной установки.

Дополнительными преимуществами ГТУ со свободнопоршневым генератором газа являются возможность получения высоких тяговых качеств и удобство независимого размещения агрегатов на автомобиле.

Заметим, что применение поршневого компрессора не ухудшает уравновешенности всей установки, так как свободно движущиеся поршни взаимоуравновешены и не дают толчков и вибраций.
Идея использования свободнопоршневого двигателя в качестве генератора газа для газовой турбины была впервые разработана советским инженером Е. Е. Леонткевичем в 1922—1923 гг. В 1937 г. французский инженер Р. П. Пескар опубликовал работу, в которой описал двигатель со свободнодвижущимися поршнями, а в 1939 г. были опубликованы результаты испытания опытного экземпляра такого двигателя. В 1950 г. французская фирма Рено построила локомотив мощностью 1000 л. с. со свободнопоршневым генератором газа и газовой турбиной в качестве тягового двигателя. Применить для автомобиля, в особенности легкового, такую установку не удалось, так как минимальной мощностью считали мощность в несколько сотен л. с. (не менее 300). Первый автомобиль с двигателем мощностью 250 л. с. стал известен только в мае 1956 г.

Разработкой автомобилей с обычными газотурбинными двигателями и со свободнопоршневыми генераторами газа, по опубликованным сведениям, занимаются следующие автомобильные заводы: Ровер, Остин, Лейланд, Бристоль, Армстронг (Англия); Дженерал моторс компани, Форд, Крайслер, Кенворт (США); Лафли, Грегуар, Рено, Смоюа (Франция); Бюссинг, Ман, Даймлер-Бенц (Германия); Фиат (Италия); Заурер (Швейцария); Пегасо и СЕТА (Испания) и некоторые др.

Недостатки газотурбинных двигателей

ГТД - газотурбинные двигатели

Наряду с немалыми достоинствами газотурбинные двигатели имеют ряд существенных недостатков, которые обусловливают отсутствие серийного выпуска газотурбинных автомобилей. Главный недостаток газотурбинной установки с камерами сгорания — низкий к. п. д., что обусловлено существенно меньшим перепадом тепла в рабочем процессе по сравнению с поршневым двигателем внутреннего сгорания. Благодаря пульсирующему принципу работы в поршневом двигателе температура достигает 2500° (а иногда и выше), в то время как температура поршня не превышает 600° (в подавляющем большинстве конструкций значительно ниже). Непрерывность процесса в газовой турбине заставляет лопатки турбины работать с температурой, равной температуре газа, а прочность лопаток не позволяет иметь такую высокую температуру газа, которая обеспечивала бы высокие к.п.д. Без дополнительных устройств газотурбинный двигатель имеет к.п.д. на валу турбины, обычно не выше 20%. Если низкий к.п.д. обусловливает высокие расходы топлива на полной мощности, то на частичных нагрузках экономичность его по сравнению с поршневым двигателем еще более ухудшается, а автомобильный двигатель, как известно, на частичных нагрузках работает более продолжительное время, чем на полной мощности.

Применение теплообменников, использующих тепло отработавших газов для подогрева воздуха, идущего из компрессора в камеру сгорания, несколько увеличивает экономичность, но увеличивает вес и габаритные размеры двигателя. Рекордное значение к.п.д. (27%) достигнуто в настоящее время фирмой Форд усложнением установки, при котором сведен на нет выигрыш в весе. Теплообменники не спасают также от сильного ухудшения экономичности на частичных нагрузках.

При работе двигателя на режиме максимальной мощности ухудшение экономичности газотурбинного автомобиля по сравнению с обычным автомобилем несколько уменьшается вследствие лучшей динамики на постоянной передаче.
Если бы автомобили работали без коробок передач, то этот выигрыш в экономичности был бы принципиальным и мог бы оказаться решающим в общем сравнении расходов топлива, однако при работе в обычных условиях это обстоятельство лишь несколько уменьшает снижение экономичности.

Газотурбинные двигатели имеют меньший срок службы, чем поршневые двигатели, так как при высокой температуре и высоких скоростях газа происходит износ и изменение формы лопаток.

Внедрению в промышленность газотурбинных автомобилей мешает также необходимость в значительных количествах таких остродефицитных материалов, как никель, кобальт и т. п.
Если вес ГТУ удается снизить по сравнению с поршневым двигателем той же мощности, то выигрыш в объеме почти отсутствует, так как расход воздуха, больший в 3—4 раза, вызывает необходимость в размещении объемистых газопроводов. Значительно больший расход воздуха обусловливает и значительно больший шум газотурбинной установки на впуске и выпуске.

Достоинства газотурбинных двигателей

Газотурбинный автомобиль Турбо НАМИ-053
Газотурбинный автомобиль Турбо НАМИ-053

Рассмотрим, какие возможности дает замена поршневых двигателей газотурбинными при обычных типах двигателя. Газотурбинная силовая установка на автомобиле обладает высокой мощностью при малом весе и малых габаритных размерах. Удельный вес газовых турбин может составлять менее 1 кг/л.с. Деталей в газовой турбине меньше, чем в поршневом двигателе той же мощности, конструкция ее проще и управление ею легче. Весьма важно, что для газовой турбины не имеет большого значения выбор топлива, качество которого не регламентируется ни октановыми, ни метановыми числами. Можно применять керосин, лигроин, дизельное топливо, бензин, сжатые и сжиженные газы в то время, как требования к топливу для автомобильных поршневых двигателей выше, что особенно заметно в отношении октановых чисел для современных бензиновых двигателей с высокой степенью сжатия.

В отработавших газах поршневых бензиновых автомобилей всегда содержится ядовитая окись углерода, кроме того, этилированный бензин при сгорании отравляет воздух свинцовыми соединениями. Высокий коэффициент избытка воздуха в газотурбинных установках обеспечивает полное сгорание топлива без выделения окиси углерода, отравляющей воздух.

Газотурбинные автомобили обладают хорошей динамикой, не требуют сложных трансмиссий с коробками передач и превосходят в этом отношении автомобили с поршневыми двигателями. Объясняется это тем, что с уменьшением числа оборотов крутящий момент газовых турбин возрастает. Благоприятное протекание крутящего момента и мощности по оборотам дает возможность обойтись без коробки передач на легковых автомобилях, а на грузовиках и автобусах — ограничиться меньшим числом передач, благодаря чему упрощается управление автомобилем.

Достоинством газовых турбин является быстрота пуска при низкой температуре вследствие значительно меньшей поверхности трущихся деталей. Удельная мощность и к. п. д. газовых турбин существенно возрастают при работе с пониженными температурами воздуха, поэтому применение этих двигателей в областях с холодным климатом особенно желательно.

Позже →