
越来越多的新车配备了高级驾驶辅助系统(ADAS)。一些最常见的系统包括:
- 前方碰撞预警
- 自动紧急制动
- 自适应巡航控制
- 车道偏离预警
- 车道保持辅助
- 盲点监测
- 后方横向交通警示
- 停车辅助/自动泊车
- 随动转向自适应大灯
- 大灯自动远光灯激活与调节
图1. 典型的ADAS传感器。激光雷达尚未在量产车辆中使用。(图片来源:德州仪器)
为了完成其工作,ADAS依赖于各种传感器的输入,使系统能够“看到”汽车周围发生的情况。最常见的是摄像头、雷达和超声波传感器。转向传感器也用于帮助确定车辆的行驶方向。一些系统使用单一类型传感器的信息,而其他系统则结合多个传感器的信息——这一过程称为传感器融合——以获得对情况的更准确“视图”。
大多数ADAS传感器都经过非常精确的定位,如果其位置以任何方式受到干扰,都需要进行校准。试想一下,汽车上的传感器即使偏移几分之一英寸甚至一度,在道路上50英尺或更远的地方就会指向一个显著偏离轴线的区域。传感器错位通常是由碰撞引起的——即使是轻微的翼子板弯曲也可能导致ADAS传感器不对齐。然而,作为常规维护工作的副产品,例如更换挡风玻璃、悬架维修或车轮定位,也可能需要进行校准。
在需要时未能校准传感器可能导致错误信息,进而导致ADAS运行不正确或完全不运行。传感器输入故障可能导致:
- 仪表盘上的指示灯或信息
- 存储在车辆计算机内存中的诊断故障码(DTC)
- 方向盘振动
- 车辆跑偏
- 转向力增加
诸如此类的问题可能导致驾驶员对汽车提供安全运输的能力失去信心。ADAS故障也可能引发对汽车维修店工作质量的质疑。
传感器类型
最常见的ADAS传感器类型是摄像头、雷达、超声波发射器和转向角传感器。以下是关于每种传感器的更多信息。
前向摄像头传感器
许多车辆配备了前向摄像头传感器。这些传感器通常用于自动紧急制动、自适应巡航控制、车道偏离预警、车道保持辅助以及大灯自动远光灯激活与调节。
图2. 斯巴鲁的ADAS双摄像头系统。(照片来源:斯巴鲁)
由于摄像头是需要能够“看到”道路的光学设备,通常很容易识别汽车是否配备了此类传感器。许多摄像头传感器安装在内后视镜组件内,紧贴挡风玻璃内侧;其他则直接或作为后视镜外壳的一部分固定在车顶内侧。包括斯巴鲁和路虎在内的一些汽车制造商使用两个间隔开的摄像头来改善深度感知。
摄像头传感器中使用的图像传感器与数码相机其他应用中的图像传感器并无太大不同。使ADAS摄像头传感器独特的是集成在组件中的高性能微处理器和先进的数据处理算法。这些组件将摄像头看到的不断变化的模拟图像转换为ADAS可用于控制各种安全关键系统的数字信息。
摄像头传感器通过挡风玻璃“看到”世界,并设计用于特定透过率的光线透过玻璃,且玻璃具有最小的瑕疵和失真。这些方面的任何问题都可能干扰传感器提供准确信息的能力。因此,许多汽车制造商规定,在需要更换带有摄像头传感器的汽车挡风玻璃时,必须使用原厂设备(OEM)挡风玻璃。事实上,一些汽车经销商拒绝在安装了替换挡风玻璃的汽车上校准摄像头传感器。
其他摄像头传感器
一些较新的汽车配备了360度全景摄像头系统,该系统使用车辆前部、后部和侧面的多个小型摄像头来显示车辆周围区域的鸟瞰图。这些摄像头比用于ADAS的摄像头更简单、分辨率更低,尽管它们也需要校准。摄像头通常位于前保险杠或格栅中、侧后视镜下以及后备箱盖或尾门上。控制系统的计算机将多个图像“拼接”在一起,以在仪表盘的信息娱乐屏幕上提供流畅的整体视图。
前向雷达传感器
自适应巡航控制、前方碰撞预警和自动紧急制动是最常与前向雷达传感器关联的ADAS。车辆上使用的毫米波雷达传感器发射高频无线电信号,该信号从物体反射并返回传感器。接收返回信号所需的时间用于计算汽车与物体的距离。
图3. 这张“透视”图像显示了雷达传感器如何可以放置在格栅中坚固塑料盖后面。(照片来源:梅赛德斯-奔驰)
雷达传感器通常安装在前保险杠或格栅内或后面。在少数情况下,雷达传感器安装在后视镜前方的前置摄像头外壳中。无线电波可以穿透玻璃和塑料保险杠盖或格栅材料,传感器通常有一个盖子保护其免受石块和其他道路碎片的伤害。虽然许多雷达传感器安装在中央,但其他则偏移到汽车的一侧,这会影响校准过程。
由于它们有时是隐藏的,确定车辆是否配备雷达传感器可能比识别摄像头传感器的存在更困难。如果外部视觉检查未显示传感器的存在,打开发动机盖可能会发现一个。另一种方法是检查车内的自适应巡航控制开关(通常在方向盘上)或自动紧急制动和/或自适应巡航控制系统的警告灯,该灯在汽车首次启动时作为测试点亮。
其他雷达传感器
一些后方碰撞预警和盲点监测系统使用安装在侧后视镜下、后保险杠盖后面甚至尾灯中的小型雷达传感器。安装在保险杠和尾灯上的传感器还可以在您驶出停车位时提供后方横向交通警示。
为避免潜在干扰,大多数汽车制造商不允许在雷达传感器前方的保险杠盖区域进行维修。他们还建议仅使用OEM盖子,以确保所用材料不会干扰传感器信号。过厚的保险杠盖漆在某些车辆上也可能是个问题,汽车制造商不建议在雷达传感器附近的任何地方放置保险杠贴纸。
超声波传感器
超声波传感器主要用于停车辅助和自动泊车系统。这些传感器安装在前部和/或后部保险杠盖中,它们使用反射的高频声波(类似于雷达的方式)来检测车辆附近的人员、汽车和其他物体。汽车侧面的此类传感器用于某些自动泊车系统,并可作为盲点监测系统中的附加传感器。
图4. 轮拱开口边缘的超声波传感器。(图片来源:维基百科,Basotxerri,CC BY-SA 4.0)
ADAS超声波传感器不需要校准。然而,它们设计用于在保险杠盖或其他任何安装位置的精确定位。因此,一些汽车制造商不批准使用可能变形或缺少适当位置预钻孔用于安装传感器的售后市场、翻新或回收车身部件。虽然大多数超声波传感器传播对称的圆形声波模式,但有些产生不对称的椭圆形模式,这要求它们以特定方向安装才能正常工作。
转向角传感器
转向角传感器用于车道偏离预警、车道保持和自适应大灯ADAS。它们提供的信息也用于其他与安全和性能相关的系统,例如电子稳定控制和自适应悬架。这些传感器通常集成在转向柱中,测量方向盘的旋转程度。
传感器校准
每当传感器的瞄准线以任何方式受到干扰时,就需要进行ADAS传感器校准。这可能发生在碰撞期间,即使是轻微的翼子板弯曲,或者是常规维护工作的副产品,例如更换挡风玻璃、悬架维修或车轮定位。每当传感器或其安装支架被拆卸和更换、轮胎尺寸发生变化、前安全气囊展开并偏转挡风玻璃,或在安装有传感器支架的车顶上进行维修时,也需要进行校准。最后,当汽车计算机内存中存在相关DTC或汽车制造商发布技术服务公告,指示在其他维修过程中进行校准时,也需要进行传感器校准。
更换和校准传感器通常是碰撞后维修的一部分。汽车制造商现在建议车身修理厂在开始维修前对每辆车进行全面的诊断分析,然后在工作完成后再次进行。这将有助于车身修理厂在开始工作前更好地了解任何问题的范围,然后确认所有问题都已解决,ADAS传感器校准已完成,并且在将汽车返还给客户之前,车辆控制系统通信正常。
图5. 一款多功能售后汽车诊断扫描工具。(图片来源:encliquetable)
ADAS传感器校准是一个通常复杂且耗时的精密过程。一些传感器可以在修理厂内校准,其他则需要驾驶车辆,许多传感器需要两种程序。所需时间可能从15分钟到一小时或更长时间不等,具体取决于特定的校准要求。当需要时,这些额外的工时会增加维修成本。
车间准备
由于面临的挑战,目前许多汽车修理厂和挡风玻璃安装商在需要ADAS传感器校准时会将汽车送到经销商处。希望执行传感器校准的独立服务提供商必须大量投资于以下必要工具:
- 服务信息,描述校准给定年份、品牌和型号车辆上ADAS传感器所需的设备和程序。这些信息可能在售后市场获得,但有时必须从汽车制造商处获取。ADAS传感器校准要求可以通过执行OEM校准要求研究或使用OEM服务信息链接来确定。这两种选择都会给维修店带来成本。
- 支持ADAS传感器校准的汽车计算机扫描工具。原厂扫描工具可以处理特定汽车制造商所有车辆和传感器所需的操作。售后市场扫描工具的能力差异很大,但某些设备将与许多不同汽车制造商的某些车辆和传感器配合使用。也有专门为ADAS传感器对准设计的特殊工具,但与售后市场扫描工具一样,车辆覆盖范围各不相同。
- 一个大型、平坦的室内铺砌区域,具有无眩光照明,并且背景没有可能干扰校准的杂乱物品(摄像头传感器)和金属物体(雷达传感器)。例如,本田规定汽车前方需要一个宽13英尺、高5英尺、延伸至少23英尺的开放区域。雷克萨斯雷达校准过程(在室外进行)需要汽车前方至少长32英尺、宽45英尺的大型开放道路。
- 车轮定位架。许多汽车制造商要求或建议在ADAS传感器校准之前进行四轮定位。这确保了车辆的推力线——一条沿汽车纵向绘制的假想中线——在方向盘居中时指向道路正前方。然后ADAS传感器被校准以与推力线对齐。现在可用的车轮定位设备具有内置的ADAS校准功能,尽管可能仍然需要静态和/或动态瞄准过程(见下文)。
图6. 一款专用于ADAS摄像头传感器校准的工具。(图片来源:Pilkington)
车辆准备
在校准ADAS传感器之前,必须按照汽车制造商的规格准备车辆。一些常见要求包括:
• 车内或后备箱内无不必要的重物
• 轮胎充气至推荐压力
• 车辆前后行驶高度符合规格
• 油箱加满
• 摄像头传感器前方的挡风玻璃清洁(如适用)
• 雷达传感器的保护盖已移除(如适用)
• 已完成四轮定位(如适用)
校准方法
ADAS校准有两种形式:静态和动态。下面提供了这些过程的一般描述,但具体程序因车辆品牌和型号而异。在所有情况下,都必须严格遵循汽车制造商规定的程序和说明。
店内校准(静态)
静态传感器校准始于建立车辆的推力线。汽车制造商规定了各种手动测量方法和特殊工具来执行这部分过程。在许多情况下,工具附着或与前轮和后轮轮毂对齐。激光投射器通常集成在工具中以确保完美对齐。
接下来,一个或多个特殊瞄准靶标被放置在相对于推力线和传感器的精确位置。靶标必须处于指定高度,并且许多设计用于与特殊的可调安装架一起使用。当传感器偏离汽车中心轴线时,靶标也必须相应偏移。虽然至少有一款车辆使用放置在发动机盖上的靶标,但大多数靶标位置距离车辆10到20英尺。
摄像头瞄准靶标通常是黑白图案图像,可以购买,或者在某些情况下可以从服务信息网站下载。已下载的靶标可能需要使用复印机调整大小。对于某些车辆,靶标必须以特定方式照明以确保正确校准。
图7. 典型的ADAS摄像头瞄准靶标 – VAG指大众/奥迪集团。(图片来源:TEXA)
雷达靶标可能具有与摄像头相似的图案,但包括将无线电波反射回传感器的金属元件。另一种类型的雷达靶标是金属锥体,其开口端朝向车辆放置,以将无线电波反射回传感器。
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众多研究表明,实施先进的道路安全技术对减少交通事故和死亡具有非常积极的影响。不言而喻,更安全的车辆意味着更安全的道路。正因如此,政府机构和欧盟等组织将稳定性控制技术等安全系统作为现代汽车制造商的强制性要求。
如今,世界顶级汽车制造商开发了无数预防性系统和技术。它们可分为被动或主动汽车安全装置。
主动与被动安全特性
这两类别的关键区别在于汽车部件的用途。主动系统旨在防止发生事故或致命事件。例如,通过提供制动、视野或转向辅助来实现。这些功能通常由电子控制,在车辆行驶时持续运行。相比之下,被动系统用于在发生道路事故时减轻严重伤害或死亡的风险。
汽车上有哪些安全装置可用?
主动功能示例:
- 防抱死制动系统(ABS)
它通过增加和释放单个车轮的制动压力,防止失去牵引力并避免车轮抱死。在紧急制动时,它提高了车辆的稳定性和操控性。该系统由控制模块、速度传感器、阀门和泵组成。
- 电子稳定性控制(ESC)
也称为电子稳定程序(ESP),该技术在检测到牵引力或控制力丧失时自动响应,以抵消打滑并防止车辆偏离道路。它通过监测车轮速度、横摆率、转向角度和横向加速度传感器的数据来实现这一点。这些信息每秒分析25次。控制单元可以自动降低动力或施加单个制动器以保持稳定性。英国的研究表明,ESC可以将碰撞概率降低25%。
- 盲点检测(BSD)
BSD传感器主动监测汽车后方和侧面的盲点,以发现可能引发碰撞的车辆或其他物体。一旦检测到威胁,系统会通过视觉或声音警告提醒驾驶员。某些系统还包括摄像头。
- 轮胎压力监测系统(TPMS)
该系统监测各种车辆的轮胎压力,通过仪表、数字显示屏或压力警告灯提供实时信息。TPMS有两种类型:直接式和间接式。直接式TPMS使用压力计直接确定轮胎中的实际气压水平,然后将这些信息传输到车载计算机。间接系统则利用ABS车轮速度传感器,并在一个或多个轮胎比其他轮胎旋转更快时识别压力问题。
- 自适应巡航控制(ACC)
ACC是一种自主技术,它监测道路上的其他车辆和障碍物,并相应调整车辆速度以保持安全距离。配备ACC的车辆装有激光或雷达扫描系统,检查前方道路。驾驶员可以使用控制按钮轻松激活技术并设置偏好。普通巡航控制仅允许驾驶员在不持续踩踏板的情况下保持车辆恒定速度,无法根据车辆环境进行智能调整。
- 车道偏离警告
这是一个摄像头,检测道路标记以指示车辆所在车道。如果设备确定汽车偏离车道,则会触发视觉或声音警告通知。
被动安全功能示例:
- 安全气囊
自20世纪70年代商业化引入以来,安全气囊是一种可快速膨胀的装置,在碰撞时展开以保护车辆前排座椅的乘员。它作为缓冲垫,防止他们撞击仪表板、方向盘或其他部件。
- 安全带
我们都熟悉汽车安全带,它在事故中锁定以防止身体从座椅弹出。这种常见的安全部件也可称为约束装置,因为它限制驾驶员和乘客的运动,同时将碰撞力分散到较大区域。
- 挥鞭伤保护(WLP)
该系统由设计的座椅靠背和头枕组成,在碰撞时吸收能量,从而减少与挥鞭伤相关的伤害。
- 乘员检测系统
传感器技术检测何时有人占用汽车座椅,以及在事故中是否应激活安全气囊。

当谈到电动汽车时,一个经常被引用的规格是总续航里程。其重要性部分归因于早期电动汽车的续航里程不足100英里,但也用来展示现代电动汽车能够行驶的距离——在某些情况下甚至与汽油车相当。这是一个重要的规格——特别是对于可能只拥有一辆电动汽车的人来说——但还有另一个重要的数据点需要考虑,那就是整体效率。
即使是最低效的电动汽车,在使用EPA的等效mpg评级进行评估时,也比最高效的油电混合动力车更高效,这是为了让电动汽车的效率以消费者熟悉的术语表示,其中数值越高越好。截至发布时,2022年款最低效的电动汽车是奥迪E-Tron S,其评级为城市/高速公路/综合62/64/63 mpg-e。最高效的混合动力车是2022年现代伊兰特Blue,评级为58/60/59 mpg。
但就像某些汽油车之间存在巨大的效率差异一样,电动汽车之间也存在显著差异。除了与更高效的汽油车相同的优势——使用更少(并花费更少)的能源——最高效的电动汽车在其他条件相同的情况下,充电时补充续航里程的速度也比低效车型更快。
以E-Tron S为例,根据EPA的数据,它行驶100英里需要53千瓦时的能量。2022年款最高效的电动汽车,特斯拉Model 3后驱版,仅使用25千瓦时,不到一半的能量。E-Tron S的车载充电器容量大于Model 3 RWD版——9.6千瓦对7.6千瓦——但如果两辆车都以7.6千瓦充电,为E-Tron S增加100英里续航大约需要7小时,而为Model 3增加相同续航仅需不到3.5小时。即使以E-Tron S的最大充电速率9.6千瓦充电,增加100英里续航仍需5.5小时。
E-Tron S比Model 3更大,但你会发现规格显示同一级别的车型之间也存在显著的效率差异。
这种分析同样适用于汽油车,因为EPA提供了每100英里加仑的数据。然而,汽油车加油的高速度——添加10加仑或20加仑的差异以分钟而非小时计——使得选择更高效的汽油车所节省的时间不那么显著。
以下列表突出了2022年款最高效的10款电动汽车。当给定车型有多个版本符合条件时,我们选择了最高效的版本。能耗、综合效率和续航里程均为EPA估计值。价格不包括可用的地方、州或联邦激励措施。
最高效的电动汽车(每100英里能耗)
1. 2022年特斯拉Model 3 RWD:25千瓦时
2. 2022年Lucid Air Grand Touring配19英寸轮毂:26千瓦时
3. 2022年雪佛兰Bolt EV:28千瓦时
4. 2022年现代Kona电动版:28千瓦时
5. 2022年特斯拉Model S:28千瓦时
6. 2022年特斯拉Model Y长续航版:28千瓦时
7. 2022年雪佛兰Bolt EUV:29千瓦时
8. 2022年起亚EV6 RWD:29千瓦时
9. 2022年现代Ioniq 5 RWD:30千瓦时
10. 2022年起亚Niro电动版:30千瓦时
2022年特斯拉Model 3 RWD
能耗: 25千瓦时/100英里
综合效率: 132 mpg-e
价格: 46,190美元,含1,200美元目的地费
标准续航的后驱紧凑型轿车特斯拉Model 3是2022年最高效的电动汽车,额定能耗为每100英里25千瓦时。其272英里的续航是Model 3系列中最短的,但全轮驱动长续航版Model 3几乎同样高效;它每100英里使用26千瓦时,续航显著增加至358英里。不过,价格也高出6,000美元。
2022年Lucid Air Grand Touring配19英寸轮毂
能耗: 26千瓦时/100英里
综合效率: 131 mpg-e
价格: 139,000美元,不含目的地费
Lucid Air是一款全新电动汽车品牌的全新豪华轿车。其每100英里26千瓦时的能耗几乎与最高效的Model 3相当,但Air的516英里续航几乎是特斯拉的两倍。当然,Air的价格也是其三倍。
2022年雪佛兰Bolt EV
能耗: 28千瓦时/100英里
综合效率: 120 mpg-e
价格: 32,495美元,含995美元目的地费
雪佛兰在2022年更新了其Bolt EV轿车,但该车的亮相被一系列因车辆电池火灾风险而进行的召回所掩盖。Bolt EV的生产预计将很快恢复,且该轿车仍是你能买到的最高效的电动汽车之一;它每100英里使用28千瓦时能量,总续航为不错的259英里。起价32,495美元(含目的地费),也是此列表中最实惠的电动汽车。
2022年现代Kona电动版
能耗: 28千瓦时/100英里
综合效率: 120 mpg-e
价格: 35,245美元,含1,245美元目的地费
Kona EV是一款超紧凑SUV,但与配备前驱或全轮驱动的汽油版Kona不同,Kona EV仅提供前驱版本。其评级为每100英里28千瓦时,续航为258英里。
2022年特斯拉Model S
能耗: 28千瓦时/100英里
综合效率: 120 mpg-e
价格: 96,190美元,含1,200美元目的地费
Model S于2012年首次亮相,此后特斯拉持续改进这款豪华轿车的效率,将行驶100英里所需的能量从2012年的38千瓦时降至2022年的28千瓦时。还有其他变化,包括2021年重新设计的内饰,采用了全新的仪表板布局和轭式方向盘而非传统方向盘。此版本Model S提供405英里的续航。
2022年特斯拉Model Y长续航版
能耗: 28千瓦时/100英里
综合效率: 122 mpg-e
价格: 60,190美元,含1,200美元目的地费
紧凑型豪华SUV Model Y标配全轮驱动和长续航电池,续航达330英里。与Model S一样,它每100英里消耗28千瓦时。Cars.com购买了此版本Model Y,尽管是2021年款,你可以在此处跟踪我们的拥有体验。
2022年雪佛兰Bolt EUV
能耗: 29千瓦时/100英里
综合效率: 115 mpg-e
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汽油作为原油炼制煤油用于照明的副产品,在约160年前被发现。当时汽油并未得到利用,因此在炼油厂被焚烧、转化为煤气灯的气体燃料或直接丢弃。大约125年前,即19世纪90年代初,汽车发明者开始认识到汽油作为燃料的价值。1911年,汽油首次超越煤油。到1920年,美国已有约900万辆汽油车,加油站遍布全国,为日益增长的汽车和卡车提供燃料。1
图1. 汽油“从油井到车轮”的生产、炼制与分销。(图片来源:Dean Armstrong,美国国家可再生能源实验室)
如今,汽油是轻型车辆的首选燃料,约占美国销售量的90%。2汽油还用于摩托车、休闲车、船只、小型飞机、建筑设备、电动工具和便携式发电机。美国人平均每人每天消耗超过一加仑汽油,截至2016年12月31日,美国日均消费量约为3.92亿加仑。3
那么,所有这些汽油从何而来,又如何进入汽车的油箱?请继续阅读,了解汽油的制造与分销过程。
石油生产
汽油由原油制成,原油含有碳氢化合物——完全由氢原子和碳原子组成的有机化合物。原油历来通过钻入地下和海底储层的垂直井获取。油井本质上是一个圆形孔洞,内衬称为套管的金属管。套管底部有孔,允许储层中的石油进入。许多油井也生产天然气,主要用于家庭供暖等固定应用,但经过适当的车辆改装后也可用作燃料。
现代油井始终以垂直井开始,但此后可向多个方向和不同深度分支。这些次级井能够获取额外石油,增加产量同时最小化地表干扰。水平钻井是水力压裂中的常见做法,该过程通过注入流体和炸药爆破来破碎井周围土壤,释放额外的石油和天然气。水平井可从中心井延伸数公里。
虽然少数油井具有将石油推至地表的自然内部压力,但大多数需要某种形式的地下或地面泵来提取石油。在油井的整个生命周期中,可使用多种额外工艺以尽可能提取最多石油。常见的二次采油方法包括向井中注水以及注入气体或蒸汽。当原油价格下跌时,低产油井可能被封顶,待价格上涨后重新启用。
图2. 带电动泵的油井。(图片来源:Famartin,维基共享资源)
与普遍看法相反,原油颜色从近乎透明到漆黑不等,粘度范围从水状到近乎固体。原油质量也差异很大,尽管来自同一区域的油往往具有相似特性。油质基于化学分析,其中两个最重要的值是分子密度和硫含量。
具有短碳氢链且美国石油学会(API)密度为34或以上的石油被视为“轻质”,31至33之间为“中质”,30及以下为“重质”。硫含量低于0.5%重量的油为“低硫”,高于此水平为“高硫”。轻质低硫原油是最有价值的类型,因为它更容易以较低成本精炼,并生产更多成品。
全球有46个主要石油出口国,但原油价格通常基于三大基准产品之一报价:西德克萨斯中质原油、北海布伦特原油和阿联酋迪拜原油。这些产品的定价作为整个石油行业的风向标。石油价格基于42加仑一“桶”原油的成本,这一计量单位可追溯到石油钻探初期。
过去,美国进口大量原油和其他石油产品。峰值出现在2005年,净进口量(进口减出口)达到每日1260万桶。最近,持续的勘探和先进的提取工艺增加了国内石油产量并减少了石油进口。2016年,净进口量仅为每日490万桶,约占美国石油总消费量的25%。这较2015年的24%略有上升,后者是1970年以来的最低水平。4
原油运输
原油从油井中提取后,储存在大型储罐中,然后通过管道、船舶和驳船运输至炼油厂。然而,近年来,在缺乏管道或水路通道的地区产量增加,导致更多石油通过铁路罐车运输。非常稠密和重质的原油形式,如油砂,必须用溶剂稀释后才能泵入管道或通过其他方式运输。
图3. 跨阿拉斯加管道的一部分。(图片来源:Luca Galuzzi,维基共享资源)
所有原油运输方法都存在潜在环境风险。然而,石油列车脱轨带来额外风险,因为列车定期穿越城镇和村庄,石油泄漏和潜在火灾可能造成重大财产损失和生命损失。
为解决这些担忧,美国交通部于2015年5月发布了一项全面最终规则,包含改进的罐车标准、运输大量易燃液体铁路的新操作指南以及改进的应急响应规划和培训。铁路行业支持加速更换旧罐车,增加了轨道检查以最小化脱轨风险,并采用特殊技术帮助确定最安全的石油运输铁路路线。5
石油炼制
炼油厂是从原油生产商业产品的大规模工业设施,有时也使用生物质等其他原料。美国超过一半的石油炼制能力位于墨西哥湾沿岸,其余分散在全国各地——通常靠近石油生产来源或运输管道及水路。
炼油厂全天候运营,但必须定期关闭进行维护和修理。通常这在春季和秋季进行,此时炼油厂需进行调整,从夏季汽油生产转向冬季汽油生产,反之亦然。两者之间的差异将在后面讨论。
炼油厂停产影响区域汽油供应,因此通常提前很久计划并密切监控。这使得分销网络能够进行必要调整,确保燃料供应不间断。由技术问题或极端天气引起的意外炼油厂停产可能导致短期局部汽油短缺和燃料价格上涨。
图4. 华盛顿州阿纳科特斯的一家炼油厂。(图片来源:Walter Siegmund,维基共享资源)
炼制过程
美国销售的大部分汽油均在国内炼制,美国还向其他国家出口大量汽油——2016年超过2.3亿桶。6将原油精炼成成品石油产品是一项极其复杂的事业。以下描述提供了炼制过程的高级概述,重点关注汽油生产。
所有炼油厂都使用称为分馏的主要过程将原油分解为各种组分。分馏涉及将原油加热至沸腾(约600°C),然后将蒸汽注入分馏塔。当热蒸汽在塔中上升时,它会冷却,在不同高度和温度下,原油的各种“馏分”凝结并被收集。较重馏分,如润滑油,沸点较高,在塔底部附近凝结。较轻馏分,如丙烷和丁烷,沸点较低,升至顶部。汽油、煤油、柴油和柴油燃料在塔的中部收集。
图5. 原油炼制过程的基本示意图。(图片来源:美国燃料和石化制造商)
包括汽油在内的极少数石油产品在离开分馏塔时即可使用。需要多种二次炼制过程来纯化馏分并将其转化为可销售产品。
“裂化”涉及将较重馏分的分子分解为较轻馏分的处理过程。它经常用于从较重油制造汽油组分。裂化有多种形式,如流化催化裂化、加氢裂化和焦化/热裂化。每种都会产生用于汽油和其他产品的独特碳氢链。
“组合”本质上是裂化的反面。它将较轻馏分结合成较重馏分,这些馏分也用于汽油配方。两种常见的组合过程是重整和烷基化。前者增加了用于制造汽油的组分数量,而后者产生“芳香族”碳氢化合物,在提高成品燃料的辛烷值方面发挥关键作用。
汽油生产的最后一步是混合。来自各种炼制过程的几种石油产品被仔细组合,以创建普通和优质等级的基础汽油。这些燃料必须满足明确且广泛的性能要求,这些要求随季节和燃料销售地点的变化而变化。例如,夏季汽油混合后不易蒸发,有助于减少蒸发排放。冬季汽油混合后更易蒸发,便于冷启动发动机和操纵性。
美国多个地区要求使用特殊混合的“精品”或“重整”汽油,这些汽油燃烧更清洁,并且是州实施计划(SIP)的一部分,旨在减少排放。最初有15种独特配方,但为了减少汽油混合物的扩散,EPA现在仅允许六种精品燃料用于新SIP。7作为现有SIP一部分的其他配方继续在各个领域使用。
图6. 美国大陆精品汽油(2015年)——除白色外的每种颜色代表一种独特的重整汽油混合物。(图片来源:埃克森美孚)
从一桶原油制造的成品石油产品数量因炼油厂而异,但大多数工厂设计用于最大化汽油产量。如附图所示,近一半的每桶原油转化为汽油,约四分之一成为柴油燃料(超低硫馏分油)。由于称为“炼油厂加工增益”的效应,一桶42加仑的原油实际上将提供约45加仑的成品石油产品。
图7. 2016年一桶原油的平均石油产品产量(加仑)。(图片来源:美国能源信息管理局)
汽油分销
炼制后,基础汽油储存在大型储罐中,直至通过管道、船舶和驳船分销至主要大都市区域及其周围的配送终端。为避免燃料污染,用于此目的的管道与用于运输原油的管道不同。
图8. 美国原油和成品油管道地图。(图片来源:美国能源映射)
汽油和其他精炼石油产品,如煤油、柴油和喷气燃料,以批次方式送入管道,产品之间没有物理分离。这导致产品一定程度混合,系统已就位以从界面两侧的纯产品中隔离这些混合物。混合液体,称为传输混合油,被单独储存并送至专门的处理厂,重新精炼成可销售产品。
配送终端拥有巨大的储罐,包含普通和优质汽油、柴油燃料和乙醇。汽油储罐通常包含来自许多不同炼油厂和石油公司的基础燃料,这意味着所有汽油在此阶段是相同的。配送终端还有许多较小的储罐,包含燃料添加剂套装,从供应商的标准化配方到个别石油公司开发的特定品牌混合物。
汽油通过可容纳高达10,000加