Увеличения пробега транспорта на кубический метр нефти можно достичь путем производства максимального количества дизельного топлива с бензиновой фракцией, требующейся для производства этилированного, а не неэтилированного бензина. Это видно из варианта В, в котором увеличение пробега, приходящееся на кубический метр нефти, достигает 576 км и потребность в нефти для обеспечения пробега в 6982 млн. км в сутки составляет 1922 тыс. м3/сут.

Интересно отметить, что с помощью газотурбинного двигателя будущего (вариант Е) обеспечивается примерно такое же увеличение пробега автомобилей, как и в варианте с дизелем (вариант С). Однако для варианта Е будет служить топливо широкого фракционного состава, выкипающего в пределах 38—344°С, как и для двигателя с непосредственным впрыском и послойным распределением топливного заряда.

Наибольшего увеличения пробега автомобильного транспорта можно достичь в варианте В, в котором используется двигатель с непосредственным впрыском и послойным распределением топливного заряда.

При этом достигается увеличение пробега автомобильного транспорта, равное 708 км на кубический метр нефти, и для переработки требуется меньше нефти, чем в любом другом варианте.

Разницу между различными вариантами, рассмотренными выше, наглядно можно видеть на рис. 3.* На рисунке показано, что двигатель с непосредственным впрыском и послойным распределением топливного заряда, превосходящий другие типы двигателей по топливной экономичности, обладает 35%ным потенциалом по увеличению пробега автомобилей на кубический метр нефти в сравнении с двигателями, которые будут работать на неэтилированном бензине с октановым числом 91 по исследовательскому методу. Кроме того, вариант с двигателями непосредственного впрыска и послойного распределения топливного заряда был единственным, который облегчал решение проблемы сокращения зависимости транспорта от импортной нефти. И, напротив, варианты, связанные с максимальным использованием дизельных и будущих газотурбинных двигателей, дают возможность немедленно добиться увеличения пробега автомобилей на кубический метр нефти, но не позволяют решить проблему дефицита нефти.

Наряду с приведенными выше факторами необходимо учитывать и ряд других важных соображений, связанных с системой «автомобиль (двигатель) —топливо — нефтеперерабатывающий завод», которые нельзя оставлять без внимания.

Готовность страны к возможным ограничениям в потреблении нефти и к экономии энергии — связанные между собой проблемы. Предположим, например, что если в будущем добыча нефти в США не превысит добычу 1972 г. (1 784 тыс. м3/кал. сут), то пробег автомобилей по варианту В (неэтилированный бензин с октановым числом 91 по исследовательскому методу) снизится на 18%, в то время как по варианту D (с двигателем с непосредственным впрыском и послойным распределением топливного заряда) мог бы возрасти примерно на 14%. Разница между этими двумя вариантами, составляющая около 32%, представляет собой достижимые возможности увеличения пробега автомобилей по сравнению с современной практикой использования двигателей и топлив. К выигрышу следует добавить и другие возможности экономии топлива, достижимые за счет факторов, не имеющих отношения к конструкции двигателя, роль которых в дальнейшем будет все возрастать. Короче говоря* преимуществом двигателей с непосредственным впрыском и послойным распределением топливного заряда является] то, что при их использовании можно будет заправить топливом больше автомобилей и увеличить пробег автомобилей, если в будущем ресурсы нефти станут ограниченными.

Необходимо обратить внимание также на другое преимущество варианта с такими двигателями. Более половины нефтеперерабатывающих заводов США являются заводами малой мощности (производительностью менее 7950 м3/кал сут). Для этих нефтеперерабатывающих заводов радикальная перестройка с изменением технологического процесса, возможно, будет экономически неосуществимым делом, поскольку это приведет к сокращению или полному прекращению производства, С таким положением страна вряд ли может согласиться. Переход в дальнейшем на двигатели с непосредственным впрыском и послойным распределением топливного заряда с использованием топлива широкого фракционного состава даст возможность продолжать эксплуатировать даже маленькие нефтеперерабатывающие заводы, причем с меньшими затратами по сравнению с другими процессами, потребляющими больше энергетического топлива,

В итоге удовлетворение наших будущих потребностей в энергии для транспорта с помощью интегрированной системы «автомобиль (двигатель) — топливо—нефтеперерабатывающий завод» принесет выгоды производителям энергии и автомобилей, потребителям топлива и правительству, обеспечив более высокую степень энергетической самообеспеченности страны.

Учитывая вышесказанное, а также связанные с этим возможности экономии, мы считаем, что система «автомобиль (двигатель) — топливо — нефтеперерабатывающий завод» заслуживает серьезного внимания.

Нефтеперерабатывающие заводы в будущем. К сложностям, которые возникли в связи с настоящим исследованием, можно отнести то, что приходилось исходить из современных нефтеперерабатывающих заводов. Однако если на нефтеперерабатывающих заводах будет вырабатываться фракция 38—344°С для производства автомобильного топлива, то структура новых заводов может быть совершенно иной. Такие процессы, как каталитические риформинг, крекинг и алкилирование могут не потребоваться, поскольку нормативами не будут предъявляться требования к топливу по октановым и цетановым числам. Однако водород для обессеривания все же потребуется. Поэтому если водород не будет производиться в процессе каталитического риформинга, то его придется получать каким-либо иным способом. Экономическая целесообразность получения водорода на установках каталитического риформинга или иными способами будет зависеть от будущей конъюнктуры.

Учитывая неопределенности в области проектирования будущих нефтеперерабатывающих заводов, мы не предпринимали попыток по созданию модели завода, специально предназначенного для производства максимального количества топлива, выкипающего при 38—344°С.

Выводы

На основании изложенного были сделаны следующие выводы.

Для обеспечения энергией экономики США в условиях уменьшающихся ресурсов и увеличивающейся стоимости нефти требуется добиться увеличения величины пробега транспорта на кубический метр нефти.

Максимальный пробег на кубический метр нефти и минимальные потери энергии при производстве топлива из исследованных вариантов обеспечивают двигатель с непосредственным впрыском и послойным распределением топливного заряда и товар для него, выкипающее в пределах 38—344°С.

Минимальный пробег на кубический метр нефти имеет место в варианте, в котором двигатель внутреннего сгорания работает на неэтилированном бензине.

Переход на использование для автомобилей двигателей с непосредственным впрыском и послойным распределением топливного заряда даст возможность значительно сократить импорт нефти.

ОБСУЖДЕНИЕ

Р. М. Кампо (компания «Форд мотор»). У меня имеются два вопроса, касающиеся двигателей с непосредственным впрыском и послойным распределением топливного заряда. Можете ли Вы сказать, какой отработавший газ поступит в каталитический дожигатель или выйдет из него, обеспечит ли двигатель требования к ограничению загрязнения окружающего воздуха в соответствии со стандартом: 0,95 НС, 9,328 СО и 1,93 N0* г/км? Второй вопрос: производились ли какие-либо расчеты относительно капиталовложений, которые потребуются для производства таких двигателей?

Джонсон. На первый вопрос ответить легче. Мы не занимались вопросами оптимизации двигателя с точки зрения удовлетворения требованиям стандарта к содержанию токсичных компонентов в отработавших газах. Однако на основании стендовых испытаний мы считаем, что эти показатели достижимы без каталитического дожигания. Это, повидимому, максимум, чего можно достичь. Что касается второго вопроса, то мы не оценивали стоимости производства подобных двигателей. Однако, по нашему мнению, переход на двигатели с непосредственным впрыском и послойным распределением топливного заряда не будет связан с какими-либо трудностями, так как для этого требуется изменить головку цилиндра, поршни и использовать систему впрыска топлива, применяемую в дизельных двигателях.

Дж. Б. Бидвелл (компания «Дженерал Моторс рисёрч лэборэториз»). Мне кажется, что Вы стали защитниками двигателя независимо от используемого топлива. Иными словами, если бы я смог сделать двигатель, который бы работал на неэтилированном бензине и имел такой же к. п. д., как и двигатель с непосредственным впрыском и послойным распределением топливного заряда, использовав то же топливо, которое Вы рекомендуете, то достиг примерно такого же улучшения. В этом случае может быть небольшая разница лишь за счет потерь на энергетическое топ ливо для нефтеперерабатывающих заводов. Однако основной выигрыш, значительно превосходящий все остальное, будет обусловлен увеличением к. п. д. двигателя. Так ли это?

Джонсон. Да, я рад, что затронули этот вопрос, потому что забыл его подчеркнуть. Разница в 604 м³/сут при производстве транспортных топлив из 15 900 м³ нефти составляет всего 4%, но если обратить это в эквивалентный пробег, то получится более 482 700 000 км в сутки. Если рассматривать вопрос в таком аспекте, то он звучит значительно сильнее.

Бидвелл. Второй вопрос. Производство дизельного топлива в вашем максимальном дизельном варианте значительно ниже, чем по данным X. Шеннойа. Я полагаю, что это объясняется затруднениями, с которыми вы встретились в процессе переработки. Если бы Вы вели расчеты на новый нефтеперерабатывающий завод, то выигрыш в дизельном варианте был бы большим. Правильно ли это?

Джонсон. Мы могли бы увеличить этот выигрыш, если бы не учитывали некоторых ограничений. Мы полагали, что можно при некоторых обстоятельствах дополнительно сэкономить 1113 м³/сут нефти. Таким образом, полученная разница обусловлена различным подходом к решению проблемы. Единственное ограничение» которое нами было сделано, это то, что для перегонки на атмосферной установке был установлен предел в 40%, в то время как теоретически он может достигать, как мне кажется, 52%. Однако, насколько мне известно, никто не эксплуатирует нефтеперерабатывающий завод на таком теоретическом уровне.

Дж. В. Хейвуд (Массачусетский технологический институт). Я хотел бы дополнить вопрос господина Бидвелла относительно дизельного варианта. Не связаны ли выводы по этому варианту с количеством дизельного топлива, которое Вами было произведено? Реальны ли Ваши выводы, если рассматривать этот вопрос на длительную перспективу? О чем мы собственно ведем речь? Допустим, что мы перешли на производство дистиллята — ¹/з дизельного топлива, ²/з бензина широкого фракционного состава (мы имеем в виду 10—20летний период времени). В этом случае Ваше сравнение варианта с дизельным топливом и топливом широкого фракционного состава, выраженное в километрах пробега транспорта, является нереальным.

Джонсон. Надо ли понимать Ваш вопрос так, что мы могли увеличивать производство дизельного топлива до размеров, эквивалентных возможностям производства топлива широкого фракционного состава, выкипающего в пределах 38—344°С? В этом ли заключается основное содержание Вашего вопроса?

Хейвуд. Я считаю, что если исходить из долгосрочной перспективы, то возможность производства дизельного топлива может быть значительно ближе к производству топлива широкого фракционного состава, чем об этом свидетельствуют Ваши данные.

Джонсон. Я не уверен в том, что это возможно. Необходимо помнить, что фракционный состав дизельного топлива значительно отличается от фракционного состава топлива, выкипающего в пределах 38—344°С. Топливо широкого фракционного состава содержит бензиновые фракции. А при производстве дизельного топлива придется получать какое-то количество бензина, использовав его для другого назначения.

Л. А. Мак Рейнолдс (компания «Филиппе Петролеум»). По вашим данным получается, что одному кубическому метру нефти соответствуют 4453 км пробега на автомобилях с двигателями с непосредственным впрыском и послойным распределением топливного заряда и 3613 км на автомобилях с газотурбинными двигателями. При этом Вы исходили из предположения, что газотурбинный двигатель может работать на топливе широкого фракционного состава. Поэтому эта разница будет обусловлена лишь к. п. д. двигателей. Считаете ли Вы, что предполагаемая разница в к. п. д. реальна?

Джонсон. Вариант, о котором Вы говорите, касается гипотетического двигателя, который может рассматриваться как двигатель будущего. В процессе работы над рассматриваемой проблемой мы опросили многих специалистов. Основные автомобильные компании заявили, что было бы очень интересно, если бы нам удалось включить в наше исследование вариант с гипотетическим двигателем такой же экономичности, как и двигатель в основном варианте, и посмотреть, каким будет при этом пробег автомобилей, приходящийся на кубический метр нефти.

В.Е. Мак Дональд (компания «Марафон ойл»). Учитывали ли Вы использование каталитических дожигателей и возможность более точной регулировки двигателя при сравнении этилированных и неэтилированных бензинов для достижения более гибкой экономии?

Джонсон. Нет. Мы не принимали во внимание регулировку двигателя, которую Вы имеете в виду, и использование каталитических дожигателей. Мы говорим только о двигателе как таковом, который должен удовлетворять требованиям стандарта по ограничению загрязнения окружающей среды отработавшими газами, а именно выбросы не более: 0,95 НС, 9,32 СО г/км.

Дж. П. Лонгвелл (компания «МИТ энд эксо компани»). По моему суждению, говоря о транспортных топливах, Вы не учитываете авиационных топлив. Дело не только в том, что это вопрос расчета. Я хочу подчеркнуть, что в большинстве прогнозов, с которыми мне приходилось знакомиться, потребности в авиационных топливах растут быстрее, чем потребности в наземных топливах, что важно с точки зрения потребления среднедистиллятных фракций. Для производства авиационных топлив требуется большое количество парафиновых дистиллятов. Если мы будем получать значительно больше дизельного топлива или топлив для двигателей с непосредственным впрыском и послойным распределением топливного заряда, то возникнут большие трудности в получении таких авиационных топлив. Возникнет необходимость производить топлива с низким содержанием ароматических углеводородов путем гидрогенизации, что приведет к снижению эффективности нефтеперерабатывающих заводов, в результате чего мы снова окажемся на том же месте, на котором находимся в настоящее время.

Джонсон Потребности в реактивных топливах учитывались. Это являлось одним из ограничивающих факторов. Если потребность в авиационных топливах будет изменяться неравномерно или не укладываться в пропорции, принятые в нашем исследовании, придется произвести перерасчеты и посмотреть, сколько может быть произведено каждого топлива. К сожалению, я не внес ясность в этот вопрос, но что касается транспортных топлив, то под ними мы понимаем топлива только для наземного транспорта.

Р. В. Барджет («Дженерал моторе корпорейшн»). Мой вопрос касается топливной экономичности. Согласно Вашим данным, при работе на двигателях с непосредственным впрыском и послойным распределением топливного заряда относительная экономия топлива составляет 1,3. Поскольку я представляю компанию, производящую свечи зажигания, хотелось бы сказать, что нас очень интересует вопрос о том, какие свечи зажигания будут требоваться для этих двигателей. Мы увеличили вдвое размеры свечей зажигания в обычном двигателе и получили такую же экономию. Хотелось бы знать, за счет чего достигается экономия топлива в двигателях с непосредственным впрыском и послойным распределением топливного заряда — за счет послойного распределения топлива или за счет использования двухдюймовых свечей в течение длительного времени?

Джонсон. Если я правильно Вас понял, то Вы путем модификации свечей зажигания и использования их в стандартных автомобильных двигателях добились такого же увеличения экономии топлива?

Барджет. Нет. Нами просто был взят дорожный двигатель и установлен в лаборатории на стенде. Мы поместили электроды свечи в геометрическом центре камеры сгорания и путем повторяющегося зажигания добивались такого же повышения экономичности двигателя, работающего по обычному циклу, как и в случае работы на двигателе с непосредственным впрыском и послойным распределением топливного заряда.

Джонсон. Хорошо. Хотелось бы только уточнить, может ли этот двигатель работать на топливе широкого фракционного состава?

Дж. Л. Бекхем (Отдел Кадиллак мотор компании «Дженерал моторе корпорейшн») Хотелось бы снова вернуться к вопросу о коэффициенте 0,93 для бензина с октановым числом 91, который, как Вы указали, был получен для автомобиля без каталитического дожигателя. Мне кажется, что это исследование было проведено в 1974 г.

Хотелось бы знать Ваше мнение по вопросу о том, каким был бы этот коэффициент в настоящее время, когда имеются большие возможности экономии топлива на автомобилях с каталитическими дожигателями.

Джонсон. В 1974 г., когда мы начинали исследование этого вопроса, нам казалось, что определение относительной топливной экономии имеет важное значение. Мы хотели, чтобы начали думать о возможности достижения максимального пробега транспортных средств, приходящегося на кубический метр нефти. Мне кажется, что все желающие добиться этого должны рассмотреть вопрос об относительной экономии топлива со своей точки зрения, разработать программу и посмотреть, что из этого получится. Я действительно считаю, что в арифметике может быть некоторая разница, даже уверен в этом. Но я думаю, рассматривая проблему в относительном плане переход к топливу широкого фракционного состава даст возможность добиться увеличения пробега транспортных средств из расчета на кубический метр нефти.

Дж. М. Колуччи (компания «Дженерал моторе лэборэтриз»). Имеются ли у Вас какие-либо планы повторить ваши исследования в части, касающейся удовлетворения нормам по предотвращению загрязнения окружающей среды в связи с ужесточением этих норм по сравнению с теми, которые были приняты за основу в Вашей работе?

Джонсон. Когда мы начинали эту работу, то было много ограничивающих факторов и одним из таких факторов были стандартные нормы на содержание в отработавших газах токсичных компонентов, загрязняющих окружающую среду. Возможно, мы должны были рассматривать этот фактор с позиций более жестких норм и тогда получили бы несколько иные результаты, касающиеся относительной топливной экономичности. Но при определенной степени такого ужесточения придется вообще исключить некоторые альтернативные пути решения проблемы. У нас нет планов продолжения работы в этом направлении, но мы хотели бы изучить возможности новых нефтеперерабатывающих заводов вместо того, чтобы делать допущения для их моделей. Отвечая на Ваш вопрос, я должен сказать, что у нас нет никаких планов относительно проведения подобных исследований с учетом более жестких норм по предотвращению загрязнения окружающей среды.

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