Следует также пояснить и обозначения, касающиеся загрязнений. Менее очищенное топливо, полученное из угля и смолы горючих сланцев, будет содержать по всей вероятности большое количество азота и серы [12, 19, 49, 50, 53, 54]. Топлива, полученные из угля, такие, как уголь экстрационной очистки и синтетические дистилляты, могут содержать значительное количество золы [18, 19, 53].

Для надлежащей оценки будущей комбинации «топливо—двигатель», очевидно, необходимо взаимно согласовать свойства топлива и двигателя. В табл. 4 приводятся наши соображения относительно совместимости топлив, полученных из нефти, с раз личными возможными двигателями будущего. Индекс «X», стоящий рядом с данным типом двигателя, обозначает возможную совместимость его с вышестоящим топливом. Следует, конечно, иметь в виду, что совместимость не обязательно означает безусловное да или нет. Зачастую при решении этого вопроса преходится считаться с проблемами предотвращения загрязнения окружающей среды, с ресурсом двигателя, с его надежностью и с оценкой потребителя. Для более точного определения этих параметров требуется получение дополнительной информации.

Как видно из табл. 4, для дизеля необходимо топливо с определенным цетановым числом, а аналогично этому для обычного двигателя с искровым зажиганием — бензин с определенными октановым числом и испаряемостью.

Некоторые двигатели с послойным распределением заряда топлива могут работать на топливе с довольно широким диапазоном свойств с точки зрения октановой характеристики, испаряемости и вязкости. Газовые турбины, паровые двигатели и двигатели Стирлинга еще более расширяют диапазон характеристик, которыми придется пользоваться, потому что характер горения топлива в этих двигателях является менее важным фактором, чем для поршневых двигателей. Для производства электроэнергии на электростанциях, необходимой для зарядки автомобильных аккумуляторов, может быть использовано почти любое топливо. Несмотря на то, что в этой таблице не показан этиловый спирт, который будет получаться в основном из угля или биомассы, он по всей вероятности совместим со всеми двигателями, за исключением дизельных.

В табл. 4 рассматривается совместимость двигателей только с топливами, получаемыми из нефти. Такая же оценка требуется и для топлив, получаемых из горючих сланцев, угля, биомассы и с помощью ядерной энергии. Однако мы в настоящее время не располагаем достаточными сведениями относительно требований к возможным двигателям будущего и еще меньшими сведениями относительно свойств потенциальных топлив, которые в будущем будут вырабатываться из различных источников энергии. В связи с, этим полный анализ совместимости топлива и двигателей не может быть произведен до тех пор, пока мы не будем располагать достаточным для испытания количеством топлива ненефтяного происхождения. Нет необходимости говорить о том, что определение совместимости топлива и двигателя имеет важное значение для оценки эффективности использования топлива и общей энергетической эффективности комбинации «топливо—двигатель» в целом.

К. п. д. использования топлива в автомобилях. В нашем методе к. л„ д. использования топлива в автомобилях определяется как энергия, требующаяся для преодоления сил инерции и динамического сопротивления движению автомобиля, деленная на расход топливной энергии автомобилем во время совершения этого движения. (Включение инерции автомобиля в этот расчет дает возможность исключить влияние массы автомобиля.)

В табл. 5 перечислены некоторые факторы, оказывающие влияние на к. п.д использования топлива. К основным факторам отнесены: характеристика автомобиля, содержание загрязнителей окружающей атмосферы в отработавших газах и программа движения. Некоторые двигатели с высоким к. п. д. снижают его при работе на малой нагрузке.

Экологические ограничения оказывают влияние на многие двигатели, поскольку связаны с жесткими нормами. Например, требование не превышать содержание в отработавших газах NO2 0,24 г/км может привести к запрету эксплуатациинекоторых типов двигателей, в том числе дизельных. Включение фактора программы движения объясняется тем, что в зависимости от нее может значительно измениться как расход топлива при установившемся режиме для данного сочетания двигатель—автомобиль, так и относительный расход для различных типов двигателей [55, 56, 57]. Поэтому к. п. д. использования топлива следует определять не для идеальных установившихся режимов, а с учетом характера эксплуатации двигателя в определенных условиях движения.

Ресурс, надежность, стоимость и удовлетворение потребностей потребителя отнесены ко вторичным факторам, которые также могут оказать влияние на к. п. д. использования топлива. Эти три фактора совместно с первичными факторами, надо полагать, дадут возможность сравнить различные комбинации топлива и двигателя.

В табл. 6 приводится к. п. д, использования топлива для двух: знакомых двигателей: двигателя с искровым зажиганием и дизеля. Детали расчета полного к. п. д. использования топлива при водятся в приложении.

Оба двигателя работали на соответствующем топливе, полученном из нефти, и оба в достаточной степени отвечали основным ограничительным требованиям. Как видно из табл. 6, врём разгона у обоих автомобилей до скорости 96,6 км/ч было одинаковым, а содержание загрязнителей в отработавших газах но одинаковым. Но различие было небольшим. Оба двигателя прошли испытания по программе Управления по охране окружающей среды. Для этих двигателей, обладающих примерно одинаковыми характеристиками, к п. д. использования топлива соответственно было равно 17% для дизеля и 15% для бензинового двигателя. Это означает, что дизель по к. п. д. использован топлива превосходит бензиновый двигатель с обычным искровым зажиганием на 13% (Приведенные выше значения к. п. д. и пользования топлива были определены на основании расход энергии на километр пути (в ккал/км) с учетом разницы в теплотворной способности.)

Естественно, что эффективность использования топлива должна определяться для всех комбинаций топлива и двигателей, в том числе и возможных двигателей будущего. К сожалению, в настоящее время это невозможно изза того, что, как было сказано выше, пока нет возможных топлив для исследований и двигателей, которые удовлетворяли бы сырьём ограничительным требованиям табл. 5. Но такую информацию в конце концов придется получить для того, чтобы можно было объективно оценить будущие топлива и двигатели.

Общий энергетический к. п. д. Как было определено ранее, общий энергетический к. п. д. представляет собой произведение к. п. д. производства топлива на к. п. д. использования топлива. Он позволяет полноценно сравнивать потенциальные комбинации топлива и двигателя с точки зрения экономии энергии. Комбинации «топливо—двигатель», обладающие высоким общим энергетическим к. п. д., являются наиболее значимыми вариантами для использования в будущем на автомобильном транспорте при условии, что они приемлемы ¹в экологическом, политическом и экономическом аспектах.

На рис. 4 приводятся значения общего энергетического к. п. д. для обычных двигателей с искровым зажиганием и дизелей при работе на топливе, полученном из нефти. Если мы возьмем к. п. д. производства топлива 90% (из рис. 2) для дизельного топлива и к. п. д. использования топлива 17% для дизеля (из табл. 6), то получим общий к. п. д., равный 15%. Аналогичным образом для двигателя с искровым зажиганием, работающего на бензине, общий энергетический к. п. д. будет равен 13%. Поскольку в обоих случаях к.п.д производства топлива составлял 90%, то дизель при сравнении общего энергетического к. п. д. сохраняет свои преимущества перед бензиновым двигателем.

Если допустить, что термодинамический к. п. д. дизеля и двигателя с искровым зажиганием, работающих на обычном топливе, получаемом из нефти, при работе на топливе, полученном из других источников энергии, одинаковы, то общий энергетически к п. д. для возможных топлив будущего снизится, как это показано в табл. 7. Общий энергетический к. п. д. в этом случае для топлива, получаемого из горючих сланцев, был бы ниже, чем топлива, получаемого из нефти и даже ниже, чем у топлива, получаемого из угля. Эта тенденция является непосредственным результатом изменения эффективности производства топлива и различных энергетических источников.

Однако, поскольку эффективность производства бензина и дизельного топлива, получаемых из одного и того же источника, примерно одинаковы, то и относительное расположение соответствующих типов двигателей остается таким же для всех энергетических источников.

Наличие большого количества пустых клеток в табл. 7 свидетельствует о том, что в этом направлении предстоит еще громадная работа. Необходимо знать значения общего энергетического к. п. д. для всех потенциальных двигателей будущего при их работе на всех вероятных (и совместимых) топливах, получаемых из разных энергетических источников. Получение дополнительной информации, с помощью которой можно будет определить наиболее эффективное топливо и наиболее эффективный источник энергии, поможет выбрать наиболее эффективный двигатель для любого данного топлива или источника энергии, из которого будет получено такое топливо.

выводы

В целях обеспечения энергетической автономности и экономии энергии была разработана логическая система, помогающая осуществить выбор комбинаций «топливо—двигатель», которые позволят в будущем свести к минимуму расход топлива автомобилями. В качестве основного показателя для оценки потенциальных комбинаций «топливо—двигатель» был выбран общий энергетический к. п. д., который получается путем умножения друг на друга к. п. д. производства возможного топлива из определенного источника энергии и к. п.д. использования топлива в автомобилях с возможными двигателями.

Топлива, которые можно получать из доступных источников энергии, классифицировались следующим образом, нефтяные топлива — очищенная нефть, дистиллятное топливо, бензин и дизельное топливо; топлива из горючих сланцев — гидрогенизированная сланцевая смола, дистиллятное топливо, бензин и дизельное топливо; топлива из угля — измельченный уголь, измельченный уголь экстрактной очистки, бензин, дизельное топливо, метанол и жидкие углеводороды (парафиновые и олефиновые углеводороды процесса Фишера—Тропша); топлива из биомассы— этанол и жидкие углеводороды; топлива, получаемые с помощью ядерной энергии, — метанол и жидкие углеводороды. Каждый из названных пяти источников энергии может также использоваться для .производства электроэнергии.

К. п. д. производства названных выше топлив оценивался на основании информации, полученной из литературных источников, и инженерной осведомленности авторов. Оценка к. п. д. производства топлива в зависимости от требуемой его характеристики колебалась, в пределах 90—98% для топлив, получаемых из нефти, 63—75% для топлив, получаемых из горючих сланцев, 37—95% для топлив, получаемых из угля, 25—35% для топлив, получаемых из биомассы, и 17—20% для жидких топлив, получаемых с помощью ядерной энергии кпд производства электроэнергии в зависимости от первичного источника энергии может, вероятно, колебаться в пределах 30—39%.

Важным критерием оценки являлась совместимость будущих топлив и двигателей. Поскольку авторы не располагали для испытания большей частью возможных топлив, их свойства предсказывались на основании сведений относительно первичного источника энергии и характеристики технологического процесса, используемого для производства топлива. Была признана также необходимость сравнения различных комбинаций «топливо—двигатель» для современных автомобилей. Обязательным условием испытания является проведение его в реальных условиях на автомобилях с одинаковыми характеристиками по содержанию загрязнителей в отработавших газах.

При сравнении оценок кпд использования топлива и общего энергетического кпд из-за отсутствия возможных топлив и необходимых данных относительно автомобилей с возможными двигателями будущего вынуждены были ограничиться обычными топливами и двигателями — дизельным и с искровым зажиганием. Общий энергетический к. п д этих двигателей при работе на топливе, получаемом из нефти, составлял 15% и 13% соответственно. Для двух двигателей, работавших на бензине и дизельном топливе, получаемых из источников, отличных от нефти, таких, как горючие сланцы и уголь, было предсказано снижение эффективности производства топлива. Однако относительное положение этих двух двигателей осталось неизменным независимо от первичных источников энергии.

Энергетической и автомобильной промышленности предстоит проделать большую работу в области исследования возможности получения топлива из различных первичных источников энергии, определения их свойств и совместимости с возможными двигателями будущего. Такая информация имеет первостепенное значение для определения энергетического к.п д. будущих комбинаций «топливо—двигатель». Наряду с общей энергетической эффективностью на окончательный выбор окажут большое влияние эко логические, политические и экономические факторы.

ОБСУЖДЕНИЕ

М. А. Эллиот (компания «Энерджи консалтентс») Подобные исследования зависят от исходных положений. Я не собираюсь критиковать Ваш подход к решению этого вопроса, но мне кажется что в таких исследованиях должен учитываться коэффициент от бора месторождений для первичных источников энергии. И если мы будем учитывать этот коэффициент для нефти, то нам придется умножить полученные Вами значения на 0,33 или чтони будь в этом роде, при открытой добыче угля на 0,8, а при пол земной добыче угля на 0,5. В связи с этим мне кажется, что для получения общего представления по данному вопросу необходимо проделать более сложные расчеты. Тем не менее Вы должны были начать исследование с ресурсов источников энергии в недрах земли и закончить конечным использованием топлива.

Стебар. Коэффициент отбора первичных источников энергии из месторождений является важным фактором. Однако в нашем исследовании, в котором ставилась цель увязать потенциальные топлива и двигатели в связи с оптимизацией энергетического к. п. д., мы не считаем необходимым учитывать коэффициент, отбора с месторождений. В том случае, когда требуется оценить общий потенциал ресурсов, этот коэффициент, безусловно, должен учитываться.

Е. М. Диксон (Станфордский исследовательский институт). Мне кажется, что мой вопрос частично относится к Вам и частично к организаторам симпозиума. Ваша работа, несомненно, направлена против автомобилей с электрическим двигателем. Хотелось бы знать, нет ли предубежденности к этому вопросу? Согласно нашим подсчетам оказывается, что если начинать с угля в недрах земли, имея целью определение возможности транспортных перевозок, то, переходя, от угля к электричеству и от электричества к транспортным перевозкам, мы получим к.п.д. порядка 14% или что-нибудь в этом роде, т. е. сравнимый с к. п. д., который мы можем получить при работе на нефтяном топливе. С другой стороны, переходя от угля к синтетической нефти, к процессам перегонки и использованию топлив в обычных автомобилях, мы получим показатели, близкие к тем, которые приводите Вы. Иными словами, создается впечатление, что автомобили с электрическими двигателями неперспективны.

Стебар. У нас, конечно, не было намерения создавать такого впечатления. Мы также производили анализ, аналогичный тому, который Вы предлагаете, но базировались на информации, которой мы располагаем. Согласно нашим расчетам до тех пор, пока будут доступны ресурсы ископаемых топлив, энергетические к. п. д. на топливах, получаемых из них, будут выше, чем на автомобилях с электрическими двигателями. Однако при рассмотрении вопроса об использовании биомассы и ядерной энергии ситуация меняется, и нам кажется, что шансы электромобилей повышаются. Но, повидимому, это произойдет не скоро. Естественно, что ожидаемое совершенствование аккумуляторных батарей может стимулировать более ускоренное внедрение электромобилей.

Ф. Л. Драйер (Принстонский университет). Не могли бы Вы подробнее охарактеризовать двигателя с искровым зажиганием и дизельные, на которых Вы проводили испытания? Например, были эти дизельные двигатели с непосредственным впрыском топлива или с форкамерой?

Стебар. Нами использовались дизели с форкамерой, применяемые на легковых автомобилях. Бензиновые двигатели также были обычными, но с дожигателями и другим оборудованием для ограничения загрязнения окружающей атмосферы отработавшими газами.

С. С. Пеннер. Можете ли Вы экспромтом назвать энергетические к. п. д. для двигателей Брайтона и Стирлинга?

Стебар. Общая топливная экономичность современных двигателей, работающих по газотурбинному циклу, значительно ниже, чем двигателей с искровым зажиганием или дизелей. Мы были удивлены, когда узнали о некоторых сообщениях, в которых говорилось о .высокой экономичности газотурбинных двигателей. Не следует забывать, что в нашем исследовании был .принят ряд ограничений: одинаковая характеристика, одинаковый уровень загрязнения окружающей среды, типичные условия движения и т. п. Мы также ограничили наши оценки, которые относились только к автомобилям, приводимым в движение обычным способом. Мы не рассматривали гипотетические варианты, которые могут возникнуть ,из теоретических и аналитических соображений.

Двигатель Стирлинга, насколько известно, является очень эффективным. Но этот двигатель пока не эксплуатируется на реальных автомобилях.

В.Т. Ли (компания «Камминс энджин К»). Учитывалась ли при определении к. п. д производства топлив вся гамма вырабатываемых продуктов, которые также могли бы служить источником энергии? |

Стебар. Да, мы принимали во внимание количество и теплоту сгорания всех полезных продуктов.

Е. Е. Эклэнд (Управление энергетических исследований и разработок США). Когда приходится иметь дело с таким кругом вопросов, который Вы рассматриваете, необходимо учитывать и временной фактор. Мы знаем, что двигатели внутреннего сгорания, работающие на бензине, не являются самыми лучшими. В своей работе Вы основываетесь на современных и не учитываете возможных двигателей будущего. А в перспективе стоит вопрос об их внедрении. Если Ваш метод применить к более продолжительному периоду времени, то может получиться совершенно иная картина.

Стебар. Это еще как сказать. При исследовании мы исходили из перспективных изменений в области стандартов на нормы содержания загрязнений в отработавших газах и из экономичности автомобиля. Экономичность двигателя с искровым зажиганием за период с 1974 г. значительно возросла, и можно надеяться, что и дальше будет увеличиваться. Объективно говоря, не будете же Вы внедрять новые двигатели только ради внедрения. Для этого у нового двигателя должны быть определенные важные преимущества.

Нам надо выбирать комбинацию топлива и двигателя для условий, которые будут существовать.

ПРИЛОЖЕНИЕ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ К. П. Д. ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АВТОМОБИЛЬНОГО ТОПЛИВА

В данном исследовании кпд использования автомобильного топлива представляет собой теоретически потребную энергию для привода автомобиля, разделенную на реально расходуемую энергию. Таким образом, в этом показателе учитываются кпд таких компонентов транспортной системы, как двигатель, трансмиссия и т п. Теоретически потребная энергия определялась из уравнения для расчета мощности двигателя, которое интегрировалось по замкнутому контуру (циклу) движения автомобиля, а реально расходуемая энергия — на основании экспериментальных измерений на автомобилях, двигавшихся по тому же циклу. При этом испытания проводились в соответствии с требованиями Управления по охране окружающей среды в городских условиях и на шоссейных автомобильных дорогах. Этими испытаниями устанавливался кпд использования топлива, который определялся из уравнения.

Теоретически потребное количество энергии для городского цикла движения и цикла движения по шоссейным дорогам в соответствии с требованиями. Управления по охране окружающей среды бралось из табл. А для соответствующей инерционной массы. Эти значения энергии были вычислены по следующему силовому уравнению автомобиля.

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ АВТОМОБИЛЬНЫЕ ТОПЛИВА
Перевод: А.П. Чочиа
Под редакцией: профессора Я.Б. Черткова
Москва, 1982