Kas yra dujiniai turbininiai varikliai, kodėl jie neįsišaknijo įprastuose automobiliuose ir kaip jie bus naudojami hibriduose

Ženevos automobilių parodoje du automobilių gamintojai pristatė koncepcinius automobilius su hibridiniais varikliais, kuriose baterijos įkraunamos miniatiūriniais dujiniais turbininiais varikliais. Beje, abu automobiliai yra kiniški. Tai Hybrid Kinetic H600 sedanas su elegantišku „Pininfarina” dizainu ir „Techrules Ren” superautomobilis su futuristine Giorgetto Giugiaro išvaizda.

Nemanykite, kad tik kinai dirba šia technine kryptimi. Prieš kelerius metus „Jaguar”, parodė hibridinį konceptą C-X75 su tais pačiais dujiniais turbininiais varikliais. Taigi, kas tai per technologija?

Dujų turbinų varikliai pirmą kartą buvo pradėti naudoti antrojo pasaulinio karo pabaigoje,  aviacijoje, vokiečių „Messerschmitt” naikintuvuose. Per ateinančius 20 metų jie iš tikrųjų visiškai pakeitė stūmoklinius vidaus degimo variklius karinėje ir civilinėje aviacijoje, tiesiogine tą žodžio prasme – nuleisdami juos iš dangaus ant žemės. Rusų Lėktuvų „Tu” ir „Superjet”, Europos „Airbus” ir amerikiečių „Boeing” varikliai yra dujų turbinų varikliai.

Jų veikimo principas yra paprastas. Degimo kameroje užsidega kuras, nuo susidariusio slėgio dujos išstumiamos  į turbinos mentes, turbina sukasi. Tame pačiame velene su turbina yra kompresoriaus mentės, kurios, varomos turbinos, pumpuoja orą į degimo kamerą.

Aviacijoje propeleris gali būti ant to paties veleno priekyje (kaip, pavyzdžiui, An-24 orlaivyje), arba gali būti galingesnis kompresorius, kuris varo orą per visą variklį, sukurdamas oro srovę ir orlaivio trauką. Tuo pačiu metu prie dujų turbinos variklio veleno galima pritvirtinti ne tik traukos kompresorių, bet ir kažką kita. Pavyzdžiui, elektros generatorių arba pavarų dėžę, o per jį sujunkite tokį variklį su automobilio ratais.

Kaip matote, viskas atrodo daug paprasčiau nei stūmoklinio (vidaus degimo variklio). Taip ir yra. Mažiau dalių, mažiau trinties dalių – tai vienas iš dujų turbinų variklių privalumų. Antrasis neginčijamas pranašumas yra didelė specifinė galia. Kitaip tariant, su vienoda galia dujų turbinų varikliai yra kelis kartus lengvesni ir kompaktiškesni nei stūmokliniai varikliai. Būtent šis faktas lėmė jų dominavimą orlaivių pramonėje.

Tačiau yra didelių trūkumų. Būtent su jais susidūrė automobilių dizaineriai, bandydami įdiegti tokį variklį po automobilio gaubtu. Buvo daug bandymų: JAV, Europoje ir net TSRS – jų inžinieriai ypač eksperimentavo su autobusais.

Paaiškėjo, kad toks variklis sunaudoja daug degalų trumpalaikiais režimais: tuščiąja eiga ir greitėjant. Jie bandė apsunkinti konstrukciją naudodami ne vieną veleną, bet du: pirmajame buvo kompresorius ir maža turbina, kurios pakako kompresorių pasukti ir užtikrinti darbą tuščiąja eiga, antrajame – pagrindinė turbina ir automatinės pavarų dėžės galios konverteris. Tuščiosios eigos metu dujos nebuvo tiekiamos į antrąją turbiną. O pradedant judėti, atsidarius sklendei, dujų srautas buvo nukreipiamas į traukos turbinos mentes ir automobilis važiavo. Beje, ši konstrukcija leido atsisakyti sankabos mechanizmo ar sukimo momento keitiklio – kadangi abu velenai neturėjo mechaninio ryšio vienas su kitu, o automobilio variklis negalėjo užgesti (atsijungti).

Tačiau degalų sąnaudos vis dar buvo didesnės nei visų tipų stūmoklinių variklių, išskyrus tolygų  judėjimą greitkelyje. Tai pat atsirado ir kitų trūkumų.

Bet kokiu atveju, kažkur nuo XX a. 70-ųjų idėjos buvo atsisakyta. Kol neprasidėjo šiuolaikine hibridinė – elektrinė revoliucija.

Tai buvo dar 2011 m. Tada „Opel” pakvietė žurnalistus į Olandiją išbandyti įkraunamą hibridinį „Ampera” (dar žinomą kaip „Chevrolet Volt”), kurį „General Motors” kažkodėl pavadino elektriniu automobiliu.

Po kelionės pas žurnalistus, susikaupė daug klausimų apie automobilio struktūrą. Į juos turėjo atsakyti tuometinis „Opel” elektros padalinio vadovas Christianas Kunstmannas.  Daugelį ypač domino, kodėl dizaineriai pasirinko kaip hibridui archajiškiausią ir neefektyviausią benzininį atmosferinį variklį, kurio talpa yra 1,4 litro.

Kadangi „Jaguar C-X75” koncepcija jau buvo pristatyta tuo metu, Kunstmano buvo paklausta, ką jis mano apie mikroturbinos įrengimą po „Opel Ampera” gaubtu, o ne stūmoklinio (vidaus degimo variklio). Atsakymas  nustebino.

„Tai būtų geriausias variantas”, – pripažino inžinierius. „Pagrindinė problema yra ta, kad mes neturime tokių variklių. Norint juos pagaminti, reikėtų visiškai perstatyti visas gamyklas. Tai didžiulė investicija. Bet jei reikėtų nuo nulio pastatyti variklių gamyklą, gerai pagalvotume, kokius variklius ten gaminti hibridams — stūmoklinius ar dujų turbininius.”

Iš tiesų, jei mikroturbina nėra prijungta nei prie ratų, nei prie pavarų dėžės, bet tik suka generatorių, veikiantį pastoviu traukos režimu, tada visos problemos, susijusios su didelėmis degalų sąnaudomis trumpalaikiais režimais, išnyksta savaime. Štai kodėl kinai, kurie, skirtingai nei „Opel”, neturi stūmoklinių variklių gamyklų ir turės statyti viską nuo nulio, dabar laikosi šios idėjos. Deja, degalų sąnaudos nėra vienintelis trūkumas.

Pirmasis neišspręstas dujų turbinos variklio minusas yra labai aukšta dujų, patenkančių į turbinos mentes, temperatūra. Aviacijoje su tuo kovojama naudojant brangius karščiui atsparius lydinius, tačiau masinėje automobilių pramonėje tai netaikoma dėl didelių išlaidų.

50-aisiais buvo  bandyta išspręsti problemą su oro šildytuvu. Suslėgtas oras jame pašildomas išmetamosiomis dujomis iš turbinos. Tai padidina efektyvumą ir taupo turbiną, tačiau žymiai apsunkina variklio konstrukciją. Kinai turi į tai atsižvelgti.

Yra ir kitų sunkumų. Visų pirma, dujų turbinų varikliams reikia žymiai daugiau oro nei stūmokliniams varikliams. Ir oras turi būti  švarus. Lėktuvai dėl to neturi jokių problemų, o automobiliams tai problematiška. Būtini oro filtrai pasiekia tokį dydį, kad mikroturbinų pranašumas ir kompaktiškumas  visiškai pradingsta.

Galbūt žinote, kad dujų turbinų varikliai buvo išbandyti naudoti serijiniuose tankuose: sovietų T80 ir Amerikos Abrams. Kariuomenę patraukė variklio galios ir kompaktiškumo derinys. Deja, paprasti tankistai skundėsi, kad reikia nuolat valyti didžiulius oro filtrus, o ir degalų sąnaudos – taip pat milžiniškos.

Galiausiai paskutinis trūkumas yra toksiškumas. Vėlgi, tai yra padidėjusių degalų sąnaudų tarpiniuose režimuose pasekmė. „Techrules” konceptas ir ypač „Hybrid Kinetic H600” kūrėjai teigia, kad jų mikroturbinai varikliai yra ekologiškesni nei stūmokliniai varikliai. Tačiau tikslūs duomenys kol kas nepateikiami.

Bet kokiu atveju, visi čia aptarti hibridiniai automobiliai, naudojantis  šią technologiją, vis dar yra tik koncepcijos, o jų serijinė ateitis yra padengta rūku. Bet sutikite, tai skamba viliojančiai!