X. Ф. ШЕННОН Компания по исследованию и разработкам компании «Эксон», Линден, штат НьюДжерси, США.

При изучении вопроса об эффективном использовании нефтепродуктов для автомобильного транспорта необходимо в комплексе рассмотреть систему «топливо—автомобиль» В данном докладе рассматривается связь между бензином и его компонентами, исследованная «Эксон» для Управления по охране окружающей среды.

При рассмотрении экономики нефтеперерабатывающей промышленности делаются допущения по многим показателям в докладе. Без намерения очернить такой метод рассматриваются наиболее очевидные ловушки, в которые можно попасть при такой системе анализа. Допущения, касающиеся стоимости и выхода продукции, которые обычно глубоко скрыты в расчетах, решающим образом сказываются на результатах исследований. В приводимых примерах рассматривается объем экономии, стоимость производства на нефтеперерабатывающем заводе, кредиты и выходы легких продуктов при более жестком проведении процесса.

Нереальные допущения ограничивают возможность предсказания преимущества или проблем, которые могут возникнуть в будущем.

При прогнозировании очень важно, чтобы как нефтяная, так и автомобильная промышленности пользовались такими прогнозами осторожно с максимальной заботой об их технической ценности.

Введение. В связи с резким увеличением стоимости нефти и капиталовложений возникает настоятельная необходимое проведения дополнительных исследований для установления зависимости между увеличенными октановыми числами неэтилированных бензинов и более высокими степенями сжатия двигателя. В таких исследованиях должны изучаться преимущества экономии автомобильных топлив, которые могут быть достигнуты с одной стороны, за счет увеличения степени сжатия в двигателе при работе на более высокооктановых неэтилированных бензинах, а, с другой — капиталовложениями в нефтеперерабатывающую промышленность и дополнительной потребностью в энергии. Чистый энергетический эффект от увеличения степени сжатия автомобильных двигателей представляет собой разницу между этими двумя противостоящими факторами.

В данном докладе наряду с энергетическим эффектом рассматриваются некоторые дополнительные факторы, которые могут оказать влияние на экономию энергии и оптимизацию системы «топливо—автомобиль». К дополнительным факторам относятся
1) влияние на расход энергии нефтеперерабатывающими заводами изменения соотношения выходов бензина и дистиллята
2) модернизация двигателей с пониженными требованиями к детонационной стойкости бензина.

Оптимальное октановое число неэтилированного бензина. 3ависимость между степенью сжатия двигателя и топливной экономичностью. В исследовании 1971 г [1] приводится зависимость между степенью сжатия в двигателе и экономией топлива в определенных условиях эксплуатации автомобиля. При этом сделано было допущение, что динамика автомобиля будет поддерживаться постоянной путем либо уменьшения рабочего объема цилиндров двигателя, либо увеличения передаточного отношения главной передачи. Следует иметь в виду, что если не принять этих мер, то увеличение степени сжатия даст возможность улучшить характеристику двигателя за счет потенциально возможного повышения топливной экономичности. Эту зависимость можно видеть на рис. 1 (верхняя кривая), на котором показана относительная топливная экономичность автомобиля при движении по ровной дороге со скоростью 64,4 км/ч. Характеристики были получены на двигателе Дженерал моторс и подтверждены в последующем «Эксон» при испытаниях еще 20 различных двигателей. Данные получены на основании стендовых и дорожных испытаний.

В связи с тем, что водители не всегда ездят по ровной дороге со скоростью 64,4 км/ч, достигаемая экономия топлива за счет увеличения степени сжатия в двигателе в типичных условиях движения автомобилей будет меньше экономии, достигаемой при движении с постоянной скоростью. Для типичных условий движения экономия топлива составляла примерно 80% от экономии, достигаемой при постоянной скорости. Разницу этого влияния, которая была взята в качестве основы для данных исследований, показана на нижней кривой рис. 1.

Зависимость оптимального октанового числа от сорта бензина. При любом исследовании, имеющем целью оптимальное .использование октанового числа, необходимо изучать преимущества, которые можно получить при эксплуатации автомобильного парка на двух и более сортах бензина. На рис. 2 приводится зависимость среднего октанового числа бензина, определяемого по моторному методу, от степени сжатия при эксплуатации автомобильного парка на одном, двух и трех сортах бензина. В каждом случае предусматривалось удовлетворение 98% потребностей потребителей, иными, словами, требования 98 водителей из 100 удовлетворялись с помощью одного или большего количества сортов производимого бензина. Использование октановых чисел, определенных по моторному методу, объясняется тем, что бензины для автомобилей 1972—1974 гг характеризовались в большей степени именно ими. Кривые (см. рис. 2) получены на основании исследований, проведенных на традиционном оборудовании (Координационного исследовательского совета), которое в связи с использованием неэтилированных бензинов было несколько модернизировано для оценки более высоких октановых чисел.

Чтобы обеспечить требования 98% водителей, для моделей автомобилей 1972—1975 гг со средней степенью сжатия 8,2 требуется бензин с октановым числом по, моторному методу 88. В то же время при эксплуатации автомобильного парка на двух сортах бензина ту же степень сжатия можно обеспечить с помощью бензина со средним октановым числом по моторному, методу всего 84 При эксплуатации автомобильного парка на трех сортах бензина, эта цель достигается при среднем октановом числе бензина по моторному методу 83. Соотношение сортов бензина в этом варианте составляет бензин «премиум» (первосортный бензин) — 20% с октановым числом по моторному методу около 88, промежуточный сорт бензина — 38% с октановым числом по моторному методу около 83 и основной сорт бензина — 42% с октановым числом по моторному, методу около 80.

Если работу с несколькимисортами бензина увязать с преимуществами, достигаемыми в типичном режиме движения за счет более высоких степеней сжатия, то можно построить кривую, которая отразит зависимость между экономией топлива и средним октановым числом или степенью сжатия. Эта кривая представлена на рис. 3 Она была использована для оценки возможности достижения экономии топлива на автомобиле.

Потребление энергии на нефтееперерабатывающем заводе для увеличения октанового числа. После оценки преимуществ от увеличения степени сжатия были произведены расчеты для определения возрастания потребления энергии нефтеперерабатывающими заводами при производстве неэтилированных бензинов с более высоким октановым числом. Модель нефтеперерабатывающего завода, использованная для этих расчетов, соответствовала заводу (на побережье Мексиканского залива) производительностью 23 850 м³ нефти в сутки. Производительность всех основных установок на заводе была стандартной. Модель завода после повышения октанового числа неэтилированного бензина позволяла вводить новые установки для производства, бензина, не изменяя при этом их эксплуатационные параметры в сравнении с основным вариантом.

Кроме исследований на гипотетической установке, было решено определить капиталовложения, эксплуатационную стоимость и расход энергии, связанные с увеличением октановых чисел бензина на, каждом из трех действующих нефтеперерабатывающих заводов, эксплуатируемых «Эксон» (США) в Бейтауне (штат Техас), в БатонРуж (штат Луизиана) и Бейвее (штат Нью-Джерси).Исходя из гипотетической окружающей среды, допускающей использование лишь неэтилированного бензина, при прогнозировании основного варианта производства неэтилированного бензина с требуемым октановым числом по моторному методу для всех четырех нефтеперерабатывающих заводов использовались программы линейного моделирования. Наряду с данными о поступлении нефти на переработку и о производстве бензина на каждом заводе полученные значения представлены в табл. 1. Из этой таблицы можно видеть значительное отличие октановых чисел по моторному методу бензинов, получаемых» на каждом заводе, что является следствием ряда факторов, в том числе типа нефти и характеристики основного варианта установки.

В основном варианте производства автомобильного бензина с соответствующим октановым числом по моторной у методу учитываются возможности усовершенствования на каждом заводе установки каталитического риформинга. Для получения бензинов с октановым числом выше базовых показателей требуется использование новых установок, производящих высокооктановые компоненты бензинов. В настоящей работе предполагалось использование новых установок, доступных в настоящее время в промышленности, в том числе установок для однофазного процесса изомеризации легкого прямогонного лигроина, установок каталитического риформинга лигрбина, установок для изомеризации прямогонного лигроина, плюс запатентованного процесса компании «Эксон». Учитывалось, что для удаления серы, азота и олефинов сырье для процессов каталитической изомеризации и каталитического риформинга предварительнодолжно подвергаться гидроочистке.

По мере того, как увеличивалось число установок, общая схема процессов переработки осложнялась, а в результате увеличивался расход энергии и снижался выход бензина на тонну исходного сырья. Однако, поскольку при повышении степени сжатия двигателя увеличивается экономия топлива, то общее производство бензина не подгонялось к базовому уровню исследованных бензина исходя из октанового числа, которое требовалось в различных вариантах для поддержания на постоянном уровне общего километража пробега автомобилей. Расчеты увеличения расхода энергии производились по сравнению с особым вариантом. Полученные данные приводятся на рис. 4.

Чтобы выразить чистый энергетический эффект увеличения степени сжатия в двигателе, необходимо было «подгонять» каждый (Нефтеперерабатывающий завод к одинаковому начальному октановому числу. Для этого сделано допущение о том, что степени сжатия останутся постоянными на уровне 8,2. Если принять, что при такой степени сжатия и для удовлетворения 98% потребителей автомобильного парка должно использоваться три сорта бензина, то потребуется бензин со средним октановым числом по моторному методу 83. Подгоняя каждый из четырех нефтеперерабатывающих заводов к этому базовому показателю, можно получить кривые расхода энергии, представленные в нижней части рис. 5. Сопоставляя эти результаты с кривой 5 экономии топлива на автомобиле, полученной ранее и показанной в верхней части рис. 5, можно вычислить чистую экономию энергии от повышения степени сжатия. Экономия представлена четырьмя кривыми чистой экономии в верхней части рис. 5.

Из рассмотрения вначале кривых нефтеперерабатывающих заводов в Бейтауне, Батон-Руже и гипотетического завода можно видеть, что максимальной экономии энергии можно достичь при среднем октановом числе по моторному методу между 86 и 87, соответствующем степеням сжатия примерно 9,4.

Это находится в основном в соответствии с результатами, полученными в 1971 г. Компанией по исследованию и разработкам компании «Эксон» [1], если октановые числа по исследовательскому методу, полученные во время тех испытаний, перевести в октановые числа по моторному методу.

Чистая экономия энергии, которой можно достичь путем изменения этого уровня октанового числа, составит от 2,8 м³ нефти на каждые 100 м³ бензина на заводе в Батон-Руж до 3,3 м³ нефти на 100 м³ бензина на заводе в Бейтауне. Как видно из рис. 5, точка перегиба кривой завода в Бейвее значительно ниже точек перегиба для других заводов. Она находится на уровне октанового числа по моторному методу 84,5, соответствующему примерно степени сжатия 8,8 м³, и дает чистую экономию энергии всего 1,3 м³ нефти на 100 м³ бензина.

Так получается потому, что на бейвейском заводе начальные возможности увеличения среднего октанового числа по моторному методу были ниже, чем на других заводах.

Только для того, чтобы увеличить на этом заводе среднее октановое число бензина по моторному методу до 83, требовалось проведение более энергоемкого процесса, чем одноступенчатая изомеризация.

Относительно кривых по экономии энергии необходимо сделать несколько замечаний. Во-первых, они имеют тенденцию к быстрому снижению после прохождения точки перегиба. Во-вторых, отражают разницу максимальных уровней октанового числа бензина по моторному методу, достижимых на каждом нефтеперерабатывающем заводе. Получение бензина с более высоким октановым числом по моторному методу, чем эти максимальные уровни, исключало бы получение на заводах компаундированных автомобильных бензинов. Третье значительное замечание относительно кривых чистой экономии касается большой разницы между четырьмя заводами. Рассмотрение этих трех факторов свидетельствует о том, что принятие одного оптимального октанового числа бензина по моторному методу или одной степени сжатия двигателей для всей страны было бы очень сложной задачей. И если этот вопрос будет решен неправильно, то на некоторых нефтеперерабатывающих заводах нельзя будет получать бензин с октановым числом по моторному методу установленного уровня.

Установленная расчетным путем в этом исследовании экономия энергии может повышаться или понижаться в зависимости от некоторых, факторов. К факторам, повышающим ее, можно отнести увеличение чувствительности к октановому числу по исследовательскому методу автомобилей моделей 1975 г. и последующих лет. Например, если в требованиях к дорожному октановому числу для новых автомобилей будет 25%ная зависимость от октанового числа бензина по исследовательскому методу (а не нулевая зависимость, принятая в данном исследовании), то чистая экономия энергии, определенная расчетным путем для бейтаунского нефтеперерабатывающего завода, возрастет с 3,3 до 4 м³ нефти на 100_гм³ бензина. К факторам, снижающим экономию, можно отнести необходимость ограничения содержания в отходящих газах автомобилей углеводородов и окислов азота при более высоких степенях сжатия.

Стоимость оптимизации октанового числа. После определения чистой экономии энергии, которой можно достичь путем увеличения октанового числа, расчетным путем была определена эффективная стоимость сэкономленной нефти. Это было сделано с целью выявления относительной привлекательности увеличения степени сжатия по сравнению с типичной стоимостью нефти. Стоимость определялась для каждого, нефтеперерабатывающего завода путем деления неэнергетической стоимости процессов до переработке нефти за вычетом 10% дохода на вложенный капитал для достижения экономии нефти Экономия в долларах.

г колебалась от 133,22—125,79 долл для гипотетического нефтеперерабатывающего завода. В нефтеперерабатывающих заводов в Бейтауне и БатонРуж до 188,69 долл для нефтеперерабатывающего завода в Бейве. Это примерно, в 1,5—2,5 раза больше современных цен как на импортную, так и на новую с неконтролируемыми ценами отечественную нефть.

Выводы Путем увеличения степени сжатия и октанового числа неэтилированного бензин можно добиться повышения экономии топлива, однако эффект этой экономии несколько снижается вследствие увеличения расхода энергии на нефтеперерабатывающем заводе. На основании исследований, проведенных на одном гипотетическом и трех действующих заводах, возможная чистая экономия нефти колеблется в пределах 1—3% от расхода бензина.

выход дистиллята включает автомобильное дизельное топливо, котельное топливо промышленного и жилищнокоммунального назначения, дизельное топливо для железнодорожного и водного транспорта, дистиллятное топливо для выработки электроэнергии и жидкие топлива, используемые вместо природного газа. Потенциальный рост автомобильного дистиллятного топлива может быть представлен в целом следующим образом: отношение бензина к автомобильному дистиллятному топливу в настоящее время составляет 10:1 (по теплоте сгорания). В будущем на новых нефтеперерабатывающих заводах оно может быть доведено до 1:1, но более реальным следует считать, что это отношение станет равным к 1990 г. 5 или 6:1.

Снижение требований к октановым числам. Компания «Эксон» имеет контакт с Управлением по охране окружающей среды на увеличение степени сжатия двигателя без повышения требований к октановым числам бензина. В этой области мы работаем в трех направлениях: установка на борту автомобиля датчика детонации, который при обнаружении детонации уменьшает опережение зажигания; увеличение поверхностикамеры сгорания для лучшей турбулизации топлива с воздухом в двигателе; использование форкамеры.

Мы также ведем поиск увеличения возможностей удовлетворения требований к детонационной стойкости топлива без повышения его октанового числа по линии снижения или изменения относительного значения октановых чисел по исследовательскому или моторному методам. Поиск ведется в направлении снижения температуры охлаждающей жидкости, регулирования момента зажигания, изменения отношения топлива к воздуху, модификации трансмиссии, что может снизить детонацию.

ВЫВОДЫ

Исследование целесообразности повышения октановых чисел бензина и степени сжатия двигателя показало, что затраты на повышение октановых чисел не являются перспективным путем снижения зависимости США от зарубежной энергии.

Согласно нашему мнению, некоторые изменения, частично касающиеся модификации системы выпуска отработавших газов, должны быть пересмотрены. Надо полагать, что в скором времени некоторые из этих изменений можно будет назвать. Наконец, мы считаем целесообразным, чтобы к 1990 г. дистиллятные топлива составили половину всех автомобильных топлив.

ОБСУЖДЕНИЕ

Е. Е. Спитлер (Исследовательская компания «Шеврон»), У меня три вопроса. Вы противопоставили требования к октановым числам, предъявляемые потребителем, требованиям к октановым числам, определяемым экспертами. Хотелось бы знать, какую корректировку Вы делали?

Шеннон. Для того чтобы проще ответить на Ваш вопрос, рассмотрим два октановых числа. Их изменение вдоль всей полосы дороги не является постоянным.

Требования к октановому числу имеют тенденцию в конце концов сходиться.

Спитлер. Согласно нашим наблюдениям, «дорожные» октановые числа не обязательно совпадают один к одному с октановыми числами, определенными в лабораторных условиях, будь то октановые числа по моторному методу, используемые обычно в настоящее время, или какая-либо комбинация октановых исследовательских и моторных чисел. Повышение октанового числа по моторному методу на две единицы не обязательно означает необходимость увеличения на два пункта «дорожного» октанового числа. Принимали ли Вы во внимание эту разницу для высокооктановых неэтилированных бензинов?

Шеннон. Да, в пределах рассматриваемых нами октановых чисел эта разница учитывалась.

Спитлер. Учитывалось ли при определении экономии энергии с переходом на дизельное топливо снижение содержания серы в дизельном топливе?

Шеннон. Нет, содержания серы мы не учитывали.

Р. К. Пифли (Университет Санта-Клара). Какого рода альтернативами пользовались Вы для ограничения содержания загрязнений в отработавших газах?

Шеннон. До сих пор мы этим вопросом не занимались. В настоящее время мы пытаемся установить пригодность нашего метода. Нам пока еще не удалось создать совершенный замеряющий прибор. Прежде всего необходимо определить эмиссию данного двигателя. Для этого мы пользуемся двигателем Чеви Нова 350 с системой каталитического дожигания. Мы надеемся также, что можно будет перекалибровать двигатель EGR чтобы улучшить контроль содержания NO в отработавших газах. Нам надо посмотреть, насколько большими могут быть потери углеводородов с отработавшими газами двигателя и убедиться в том, что катализатор дожигания может в достаточной степени ограничить их выброс в атмосферу.

Р. Т. Викерс (Исследовательские лаборатории компании «Дженерал моторc»). Не можете ли Вы, несколько подробнее рассказать о датчике детонации?

Шеннон. Датчик детонации сам по себе представляет простое устройство, это всегонавсего акселерометр. По вопросу создания такого датчика мы вели переговоры со всеми производителя ми автомобилей, но только одна компания «Делко Реми» откликнулась на нашу просьбу. Согласно мнению этой компании, можно модернизировать современную систему зажигания. С помощью сигнала, свидетельствующего о детонации двигателя, можно по ; импульсу, генерируемому в распределителе, строить зависимость: время—задержка зажигания. Однако датчиком регистрируются , только ступенчатые изменения. Им можно пользоваться для систематического контроля, поскольку он будет уменьшать опережение зажигания на 3—4°. Если датчик продолжает указывать на детонацию, он может действовать и по другому контуру. Трудно сказать, сколько таких контуров потребуется. В какой-то точке во времени, если резко изменять задержку воспламенения, эта оценка окажется нереальной. Датчик — довольно простая вещь. Компания «Делко Реми» считает, что им удается, создать систему с датчиком, которую можно будет включить в современную систему зажигания. Возможность использования акселерометра зависит от того, смогут ли наши инженеры с его помощью отличить действительную частоту детонации и ограничить ее. В прошлом такое устройство не использовалось.

А.Р. Сапре (Исследовательские лаборатории компании «Дженерал моторе»). Вы говорили, что в будущем доля дизельного 1 топлива, вероятно, возрастет.. Изменится ли современное отношение стоимости дизельного топлива к стоимости бензина?

Шеннон. В этой модели мы не занимались вопросами стоймости, если не считать экономии энергии на новых нефтеперерабатывающих заводах, экономии капиталовложений и соответственно определения наиболее перспективного экономического и энергетического направления. При этом было установлено некоторое снижение стоимости — порядка 10%.

Билл Шапис (Из компании «Ричард П. Мюллер энд Ассошиейтс»), У меня два вопроса. Первый вопрос: какова примерная тепловая эффективность этих нефтеперерабатывающих заводов и имеются ли какие-либо возможности ее повышения? Второй вопрос: заметили ли Вы какие-либо значительные изменения в характеристике нефти, поступившей из одних и тех же районов в последние годы? Предвидите ли Вы какие-либо изменения их, качества в будущем?

Шеннон. Говоря о высокой эффективности нефтеперерабатывающего завода, Вы подразумеваете 10% нефти, которые преобразуются в. тепло. Для повышения тепловой эффективности нефтеперерабатывающего завода была проделана большая работа.

У нас есть нефтеперерабатывающий завод на западном побережье в районе Бениция, который настолько эффективен, что не может быть пущен в ход без внешнего воздействия. Он в такой степени связан с промежуточными холодильниками и другим оборудованием, что возникают трудности с использованием природного газа для пуска завода. Каждые 2 года, когда он останавливается для капитального ремонта, возникает проблема получения природного газа для его пуска. Что же касается качества нефти, то я не знаю, что Вы имеете в виду.

Шапис, Мне хотелось бы знать, изменится ли качество нефти, когда начнет поступать нефть, добываемая третичными методами?

Шеннон. Нет. В нашей гипотетической модели в одном варианте мы проводили эксперименты с арабской нефтью, а в другом — с нефтью из Южной Луизианы. Одна нефть была высокосернистой, а другая — малосернистой. И несмотря на то, что имеется разница по сравнению с другими неясными проблемами, с которыми приходится иметь дело, эта проблема относительно незначительна. В процессе производства бензина происходит настолько сильное перераспределение молекул, что влияние характеристики нефти невелико. Качество нефти будет иметь значение при производстве относительно более тяжелых продуктов или смазочных масел. При производстве же бензина образуются подобные молекулы независимо от исходного сырья.

Р. X. Перри младший (компания «Мобил рисёрч энд дивелопмент»). Вы показали, что путем повышения октанового числа по моторному методу достигается увеличение пробега автомобилей на кубометр нефти. В связи с этим у меня два вопроса. Первый вопрос: можете ли Вы прокомментировать, какую характеристику будет иметь получаемый Вами бензин, особенно в части испаряемости? Вопрос второй: каким будет соотношение других нефтепродуктов, получаемых из кубометра нефти, когда Вы увеличите октановое число бензина?

Шеннон. Требования к испаряемости соответствовали средним нормам для зимних и летних условий. Распределение и соотношение других нефтепродуктов оставалось постоянным.

Р. А. Хастид (Министерство транспорта США). Какие имеются потенциальные возможности повышения топливной экономичности с помощью устройства системы опережения зажигания, чувствительной к детонации? Будет ли эта система влиять на содержание загрязнений в отработавших газах?

Шеннон. Нашей целью на первом этапе является увеличение степени сжатия на октановую единицу. Нам кажется, что таким образом можно будет увеличить топливную экономичность на 5%. По некоторым немногочисленным данным можно полагать, что содержание в отработавших газах NО может возрасти на 20—25%. Более значительные изменения должны иметь место в содержании углеводородов. Мы не знаем, следует это принимать во внимание или нет. Этот фактор станет критическим при решении вопроса, является ли этот метод рациональным или нет.

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