Е. М. ДЖОНСОН, У. Т. ТИРНЕЙ, Н. Р. КРОУФОРД Компания «Тексако Инк.», штат НьюЙорк, США.

Компания «Тексако» завершила работу по оптимизации автомобилей, топлив, процессов переработки нефти и исследования влияния этих составляющих системы на экономию энергии. В процессе исследования изучался ряд комбинаций двигателей и топлив, как, например, бензиновые двигатели, работающие на этилированном и неэтилированном бензине, дизельные двигатели и перспективные газовые турбины. Кроме того, изучался двигатель, экономичность которого соответствовала экономичности дизельною двигателя, не предъявлявшего никаких требований к октановому или октановому числу топлива и эксплуатировавшего на топливе, выкипающей в пределах 38—344Х. Это был двигатель с непосредственным впрыском и послойным распределением топлива.

Результаты исследований показали, что наибольший расход топлива будет в случае продолжения производства автомобилей, работающих на неэтилированном топливе, в то время как наибольшие потенциальные возможности для экономии топлива сулит двигатель с непосредственным впрыском и с послойным распределением топлива.

Введение. В США все больше увеличивается разрыв между потребностью нефти природного газа и возможностями их удовлетворений за счет ресурсов страны. Примерно 77% всей используемой энергии получают из нефтепродуктов и природного газа. На долю нефтепродуктов приходится 45,9% потребляемой в стране энергии, 52% этого количества приходится на транспорт. В транспортном секторе около 39% всех нефтепродуктов расходуется легковыми автомобилями и легкими грузовыми автомобилями. Зависимость страны от нефти как основного источника энергии с конца прошлого века увеличивалась, в то время как использование других источников энергии сокращалось [1]. Такая тенденция была приемлема до тех пор, пока в стране производилось достаточное для удовлетворения своих потребностей количество нефти. К сожалению, это положение также изменилось. Добыча нефти в США не только перестала увеличиваться, а начала снижаться [1] При ежесуточной добыче 1,6 млн. м3 нефти в стране потребляют ее около 2,6 млн м3 в сутки, т. е ежесуточный дефицит составляет 1 млн. м3 нефти, которая должна быть импортирована изза рубежа. Этот дефицит исходя из разведанных запасов не уменьшится и в будущем. Нефть Северной Аляски и форсированные методы ее добычи могут служить лишь временной отдушиной.

Безусловно, принимаются меры для разработки других источников энергии. Однако, к сожалению, в этом направлении вряд ли будут достигнуты значительные успехи до коцца XX века. В течение двух следующих десятилетий США будут в еще большей степени зависеть от нефти, которая будет продолжать служить основным источником энергии. Поэтому необходимо не только продолжать поиск дополнительных запасов нефти в пределах географических границ страны, включая и внешний континентальный шельф, но и сохранять разведанные в стране запасы нефти.

Поскольку на легковые автомобили и легкие грузовые автомобили приходится такая большая доля потребления топлива, на них должно быть обращено основное внимание в поисках путей экономии энергии. Конгресс, признав это, потребовал повышения топливной экономичности новых автомобилей. Такое решение с первого взгляда может показаться логичным. Однако при более детальном изучении оказывается, что за ним скрываются «волчьи ямы», особенно, когда приходится считаться с правительственными нормами по ограничению загрязнения окружающей среды и необходимостью повышения надежности и прочности автомобилей.

Повышения топливной экономичности автомобилей можно достичь за счет изменения только конструкции автомобиля, путем его модификации, например снижения массы автомобиля, снижения передаточных отношений трансмиссии и использования шин с радиальным кордом. Ослабление чрезмерно жестких требований к составу отработавших газов позволит создать двигатели с большим к. п. д. Кроме того, некоторые новые конструкции бензиновых двигателей также могут иметь более высокую топливную экономичность по сравнению с современными карбюраторными двигателями. Наибольшего эффекта в экономии топлива можно добиться на дизельных двигателях и двигателях с непосредственным впрыском и с послойным распределением заряда топлива.

Причем оптимальной комбинации усовершенствований можно добиться значительной экономии автомобильного топлива. К сожалению, однако, улучшение топливной экономичности двигателя и автомобиля связано с изменением требований к характеристике топлива, что может вызвать дополнительные потери топлива в процессе производства соответствующих его сортов. Такие потери могут быть больше, чем экономия, достигнутая за счет усовершенствования конструкции двигателя и автомобиля, и отрицательно сказаться на экономии топлива в целом. Поэтому очень важно вопрос об экономии топлива рассматривать комплексно в виде единой системы, состоящей из автомобиля, топлива и процесса его производства. Такой подход позволит определить общий километраж, достижимый на кубическом метре нефти. Этот показатель имеет значительно большее значение при оценке рационального использования энергии, чем километраж, пройденный на литре топлива.

Компания «Тексако» для оценки разницы в километраже на кубический метр нефти исследовала ряд вариантов двигателей с различным расходом топлива и влияние их комбинаций на процессы переработки нефти.

В результате исследований были обнаружены потенциальные возможности экономии топлива, которые оказались больше, чем при любом другом методе.

Оптимизация системы «автомобиль (двигатель) — топливо — нефтеперерабатывающий завод» предусматривала исследование двигателей, топлив и нефтеперерабатывающих процессов. Прежде чем их рассмотреть во взаимосвязи, для выявления выгод, которые могут быть достигнуты системой в целом, каждый из этих элементов рассматривается отдельно.

Двигатели. Исследованию подверглись пять типов двигателей:

1973 Карбюраторные, предназначенные для работы на этилированном бензине с октановым числом 96 по исследовательскому методу.

1973 Карбюраторные, предназначенные для работы на неэтилированном бензине с октановым числом 91 по исследовательскому методу.

1974 Дизельные, предназначенные для работы на дизельном топливе с цетановым числом 45.

Б. Двигатели с непосредственным впрыском и послойным распределением заряда топлива или другие двигатели, способные работать на топливе/выкипающем в пределах 38—344°С, к которым требования по октановому или октановому числам не предъявляются. Топливная экономичность их примерно равна топливной экономичности дизельных двигателей.

Е. Гипотетический двигатель, по топливной экономичности, равный бензиновому двигателю, работающему на бензине с октановым числом 96 по исследовательскому методу, но способный работать и на дистиллятном топливе с пределами вскипания 38—344°С. Типичной конструкцией такого двигателя может служить газотурбинный двигатель.

Карбюраторные двигатели. Для исследования были выбраны двигатели образцов, типичных для периода до 1971 г. и работающих на этилированном бензине. В соответствии с информацией Горного бюро 1972 г. в качестве средневзвешенного октанового числа бензинов основного вида и «премиум» для моделей автомобилей 1971 г. и предшествующих лет было принято октановое число 96 по исследовательскому методу. Экономичность, которая достигалась на двигателе при работе на таком топливе, была принята равной 1, а экономичность топлива, достигавшаяся на двигателях других вариантов, сравнивалась с этим показателем.

В качестве норм на ограничение загрязнения окружающего воздухе токсичными соединениями отработавших газов, хотя общепризнано, что в будущем они должны измениться были приняты нормы, установленные временным федеральным стандартом 1975 г., разрешающие следующие допустимые концентрации токсичных соединений, не более:

По нашим данным, нет публикаций, в которых бы непосредственно сравнивались различные типы двигателей с точки зрения удовлетворения требований этого стандарта. Однако в работах [2, 3] показано, что степень сжатия и детонационную стойкость топлива можно изменять, не оказывая значительного влияния на образование, при некотором изменении в отработавших газах содержания СО. Однако в нашем случае было принято то, что и на образование СО оказывалось незначительное влияние.

В работе [2] показана зависимость между степенью сжатия двигателя и октановым числом топлива (рис. 1) Относительная топливная экономичность с учетом этой зависимости показана на рис. 2. В работах [4, 5, 6] приводятся дополнительные сведения относительно этой зависимости, однако, нам кажется, что при оценке относительной топливной экономичности эти данные не могут снизить значение сведений, полученных в настоящей работе.

Относительная топливная экономичность, установленная ранее и использованная в настоящем исследовании, приводится ниже при двух выбранных топливах для карбюраторных двигателей.

Дизели. Когда приходится сравнивать различные типы двигателей для легковых автомобилей, возникает целый ряд различных проблем. Особенно много проблем возникает при сравнении дизелей и бензиновых двигателей. Применявшийся раньше метод сравнения этих двигателей по объему рабочих цилиндров для настоящего исследования был бы непригоден вследствие того, что характеристику дизелей оказалась бы заниженной. Наиболее желательно делать вывод об относительной топливной экономичности, сравнивая двигатели одинаковой мощности. Сопоставление дизелей и бензиновых двигателей было несколько облегчено наметившейся недавно тенденцией снижения мощности бензиновых двигателей данного размера в связи с нормами, ограничивающими загрязнение окружающей среды [7]. Это привело к сокращению различия между мощностью и массой двигателя, традиционно существовавшего для дизелей и бензиновых двигателей. Кроме того, относительная топливная экономичность для двух типов двигателей может изменяться от практически незначительных величин при максимальной мощности до существенных преимуществ для дизелей при частичной нагрузке в условиях небольших скоростей транспортного средства. Если говорить в целом, то по топливной экономичности дизели превосходят бензиновые двигатели во всем диапазоне движения автомобиля. Возникает вопрос: насколько?

Согласно работе БернсМосса [8], экономичность дизелей для будущих автомобилей будет на 30% выше бензиновых двигателей при сравнимых мощностях и в основном одинаковых циклах движения. Этот и другие [9] авторы указывают на то, что дизели смогут удовлетворять приведенным выше нормам, ограничивающим загрязнение окружающего воздуха.

Поэтому для дизелей был принят коэффициент относительной топливной экономичности, равный 1,3.

Двигатели с непосредственным впрыском и послойным распределением заряда топлива. Двигатели с непосредственным впрыском и послойным распределением заряда топлива могут быть сконструированы так, что не будут предъявлять требований к детонационной стойкости топлива, имея более высокую характеристику по топливной экономичности, чем соответствующие бензиновые двигатели. Кроме того, выполнение требований к топливу облегчается тем, что такие двигатели могут работать на топливах расширенного фракционного состава без снижения мощности. Исходя из долгосрочного прогноза для увеличения выхода транспортных топлив нормативы могут предусматривать получение вполне удовлетворительных топлив расширенного фракционного состава, выкипающих в пределах 38—344°С.

Двигатели с непосредственным впрыском и послойным распределением топлива имеют такие же размеры и массу, что и современные бензиновые двигатели, и в основном аналогичную конструкцию. Поэтому переход на эти двигатели не потребует коренной перестройки оборудования для их производства, если не считать системы впрыска топлива.

Вообще говоря, двигатели с непосредственным впрыском и послойным распределением топлива дают несколько меньшую мощность при максимальных нагрузках вследствие ограниченных возможностей использования воздуха по сравнению с бензиновыми двигателями тех же размеров. Однако в связи с тенденцией снижения мощности бензиновых двигателей для ограничения загрязнения окружающей среды и благодаря усовершенствованиям в области двигателей с непосредственным впрыском эта разница уменьшилась.

В настоящее время имеется несколько вариантов двигателей с непосредственным впрыском и послойным распределением заряда топлива [Ю]. Типичными их представителями являются двигатели с системой регулирования сгорания компании «Тексако», описанные в работе [12]. В нашей работе для исследования были использованы образцы этих двигателей.

Характеристика двигателей с непосредственным впрыском и послойным распределением топлива хорошо документирована. При этом определялись и потенциальные возможности достижения эквивалентной мощности в сравнении с аналогичными карбюраторными двигателями [13]. Была подтверждена также большая топливная экономичность двигателей с системой регулирования горения компании «Тексако» как с естественным поступлением воздуха, так и с принудительным. Преимущество всегда оказывалось значительным и достигало иногда 70% по сравнению с эквивалентными бензиновыми двигателями, работающими в аналогичных условиях [13]. Топливная экономичность двигателей с системой регулирования горения компании «Тексако» была сопоставима с топливной экономичностью современных легковых автомобилей при испытаниях в течение 1975 г. по федеральному методу [14]

Исходя из этого, считаем, что на двигателях с непосредственным впрыском и послойным распределением заряда топлива по сравнению с бензиновыми карбюраторными двигателями достигается более высокая топливная экономичность (в среднем на х30%). Для этих двигателей относительная топливная экономичность была принята равной 1,3.

Кроме того, стендовые испытания показали, что двигатели с непосредственным впрыском и послойным распределением заряда топлива удовлетворяют нормам по ограничению загрязнения окружающей среды отработавшими газами: ~0,95 НС, 9,32 СО и 1,93 N0* (в г/км) без каталитических дожигателей или других приспособлений. Дальнейшее подтверждение этого потребует проведения испытаний по программе федерального метода 1975 г.

Прочие двигатели. Исследованы также другие двигатели, которые могли бы работать на топливе, выкипающем в пределах 38—344°С, но при такой же топливной экономичности, что и бензиновые поршневые двигатели. К двигателям такого типа могут быть отнесены, например, будущие газотурбинные двигатели. Поэтому их относительная топливная экономичность была принята равной 1, предполагая при этом, что требования по предотвращению загрязнения окружающей среды будут удовлетворены.

Ниже приводится топливная экономичность для каждого из рассмотренных выше типов двигателей.

Моделирование топлив и заводов, их производящих. Технические требования к топливам. С целью максимального производства различных видов топлива необходимо было установить для них расчетные нормативы, которые могли бы удовлетворять требованиям ранее описанных типов двигателей. Использовавшиеся нормативы на топливо представлены в табл 1 Нормативы на бензин и дизельное топливо составлены на основании данных Горного бюро [15] на 1972 г. Для бензина были приняты усредненные требования к зимнему и летнему сортам. Для топлива широкого фракционного состава требовалось нормирование только по содержанию серы и по упругости паров.

После того, как были выбраны типы двигателей и топлив, необходимо было определить модель нефтеперерабатывающего завода, на котором можно производить максимальное количество топлива каждого из выбранных типов и установить исходный уровень, с которым можно сравнивать переработку нефти на заводах других моделей.

Система моделирования нефтеперерабатывающего завода. В качестве основного года для разработки модели был выбран 1972 г, поскольку для него имелись доступные сведения о поступлении сырья и выходе нефтепродуктов [15, 16] В США были опубликованы сведения о производительности каждого завода [17] имелась также информация о стоимости нефти [16] и средней стоимости нефтепродуктов [18, 19, 20]. Кроме того, 1972 г был последним годом, когда производство малоэтилированного и неэтилированного бензина не оказало существенного влияния на производство этилированных бензинов, и поэтому его можно было взять в качестве исходного года для сравнения.

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