Поршневой двигатель или ГТД

Схема устройства и работы газотурбинного двигателя:
1 — входное устройство;
2 — компрессор;
3 — форсунка;
4 — камера сгорания;
5 — турбина привода компрессора;
6 — тяговая турбина;
7 — камера выпуска;
8 — редуктор;
А —- впуск;
Б — сжатие;
В — сгорание и расширение;
Г — выпуск в поршневом двигателе.

Это один из первых автомобильных газотурбинных двигателей, над которым много лет трудились сотни инженеров. Такое пристальное внимание к применению газовой турбины на автомобиле неудивительно — по многим технико-экономическим показателям она существенно превосходит поршневые двигатели.
Газотурбинные двигатели отличаются тем, что тепловой цикл в них происходит последовательно в отдельных агрегатах. У поршневого двигателя этот цикл совершается в одном и том же рабочем объеме цилиндра. Принцип работы газовой турбины на автомобиле показан на рис. Воздух засасывается через входное устройство 1, сжимается в компрессоре 2; впрыснутое форсункой 3 топливо сгорает в камере сгорания 4. Часть энергии газа используется в турбине 5 привода компрессора, остальная же ее часть — в тяговой турбине 6. Именно эта, последняя энергия, превращенная в работу, является полезной — она передается через редуктор 8 на трансмиссию и колеса автомобиля.
Две механически не связанные турбины придают мотору хорошие тягово-динамические свойства. Двигатели этой схемы называются двухтурбинными, или двухвальными. Турбины здесь осевого типа. В связи с тем, что число оборотов первичного вала коробки передач автомобиля находится в пределах 2500—4500 об/мин„ передаточное число редуктора составляет от 4 до 10.
В двигателе применяется центробежный одно- или двухступенчатый компрессор с числом оборотов от 20000 до 60000 в минуту и с давлением сжатия в цикле от 3,5 до 16 кг/см². В камере сгорания температура газа повышается до 850—950 градусов. Один и, тот же двигатель может работать на дизельном топливе, керосине или бензине любых сортов.
Автомобильный газотурбинный двигатель компактен. По длине он примерно равен поршневому, а в поперечнике в 1,3—1,5 раза меньше. Он легче поршневого двигателя равной мощности в три-пять раз.
Валы всех механизмов автомобильного ГТД устанавливаются на подшипниках качения.
Топливо воспламеняется свечой. Система пуска автоматизирована: после нажатия пусковой кнопки последовательно включаются стартер, пусковой и подкачивающий топливные насосы и свечи. Когда турбокомпрессор достигнет устойчивых оборотов холостого хода, стартер, свечи и пусковой насос автоматически выключаются. Двигатель выходит на устойчивый режим холостого хода за 15—30 секунд. Можно почти сразу же после пуска, в течение 15—20 секунд, выводить турбокомпрессор на «полный газ». Даже при низких температурах окружающего воздуха (до минус 25 градусов) для пуска автомобильного ГТД не требуется предварительного подогрева.
Для управления служат лишь две педали— подачи топлива и тормоза. Переключением ступеней в коробке передач пользоваться приходится крайне редко благодаря автоматическому изменению крутящего момента тяговой турбины в зависимости от нагрузки.
В развитии автомобильных ГТД имеются четыре основных направления: двигатели без теплообменника; с вращающимся теплообменником; с пластинчатым неподвижным теплообменником; двигатели сложного цикла.

Газотурбинный двигатель;
1 — центробежный компрессор;
2 — компрессорная турбина;
3 — тяговая турбина;
4 — редуктор;
5 — теплообменник;
6 — камера сгорания;
7 — свеча;
8 — впускное отверстие.

Двигатель состоит из осевого центробежного компрессора, кольцевой камеры сгорания с поворотом потока на 180 градусов, осевой одноступенчатой компрессорной турбины и такой же тяговой. Двигатель прошел испытания на легковом пятиместном автомобиле.
Двигатель состоит из одноступенчатого центробежного компрессора 1, одноступенчатой, осевой компрессорной турбины 2, одноступенчатой осевой тяговой турбины 3 с поворотным сопловым аппаратом, редуктора 4 с косозубыми шестернями, дискового вращающегося теплообменника 5 из двух секций, расположенных по сторонам двигателя, камеры сгорания 6 трубчатого типа, в которой установлена свеча 7, и входного устройства большого сечения, на котором установлены пылеочистители. Две выпускные трубы плоскоовального сечения отводят отработавшие газы назад.
По подсчетам, стоимость этой машины с ГТД при серийном производстве 50 автомобилей в неделю на 25-30% выше обычной.

Другой вариант ГТД состоит из одноступенчатого центробежного компрессора низкого давления 1, одноступенчатого компрессора высокого давления 4, двух пластинчатых неподвижных теплообменников, расположенных по сторонам двигателя, камеры сгорания 6 первого подогрева газа, радиальной центростремительной турбины 5 привода компрессора высокого давления, камеры сгорания 7 второго подогрева, расположенной после первой турбины, осевой одноступенчатой тяговой турбины 9, расположенной перед последней двухступенчатой осевой турбиной 10 привода компрессора низкого давления.
Вентилятор 3 подает воздух на обдув воздушных охладителей. В поддон 11 собирается все отработавшее масло, а трубка 2 служит для заливки масла. Редуктор 8 планетарного типа с тремя промежуточными переборами передает усилия на колеса.
Газотурбинный двигатель двухвальной схемы сложно использовать для торможения автомобиля. Этот недостаток устраняется применением поворотных управляемых сопловых лопаток тяговой турбины. Тормозят поворотом лопаток в положение, при котором газовый поток направлен против вращения рабочего колеса. Использовать двигатель для торможения можно, переключив коробку передач на задний ход. В этом случае в ней должна быть предусмотрена муфта, способная поглотить кинетическую энергию ротора тяговой турбины, высвобождающуюся при переключении ее на обратное направление вращения.
Особенно важна проблема приемистости двигателя. Это понятие означает способность двигателя за определенное время развить максимальное число оборотов. До недавнего времени приемистость автомобильных ГТД была хуже (10—12 секунд), чем у поршневых двигателей (1,5—3 секунды). В последние годы, применяя поворотные лопатки в сопловом аппарате, повышая температуру газа при разгоне и облегчая ротор турбокомпрессора, конструкторы сократили время разгона у автомобильных ГТД до 1,5—3 секунд, то есть уравняли их по приемистости с поршневыми двигателями.
У ГТД примерно в три-пять раз меньше деталей, чем у поршневого; у большей части их проще конструктивная форма. В основном это тела вращения. Здесь нет сложных блоков и головок цилиндров, коленчатых валов и шатунов. Это предопределяет хорошую технологичность и дешевизну деталей в производстве. Масштабы же производства играют, как известно, решающую роль в себестоимости продукции. В этом отношении автомобильные газотурбинные двигатели находятся в невыгодном положении. Для того чтобы организовать крупносерийное производство (только тогда можно получить дешевую продукцию), нужно иметь хорошо отработанные конструкции и большие капитальные средства. При этом надо учитывать, что капитальные вложения неизбежно повысят себестоимость газотурбинных двигателей на первом этапе производства, вследствие чего они окажутся дороже поршневых.
Автомобильный ГТД должен быть многоцелевым, то есть пригодным для использования на различных автомобилях, катерах, на небольших маневровых локомотивах, на тракторах, в качестве вспомогательных первичных двигателей различных силовых установок. Это позволит расширить масштабы производства и выпускать дешевые газотурбинные двигатели.