铝合金与玻璃钢汽车引擎盖的生命周期评价

第３５卷第４期合肥工业大学学报（自然科学版）Ｖ０１．３５Ｎｏ．４２０１２年４月ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＨＥＦＥＩＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＴＥＣＨＮ（）Ｌ（）ＧＹＡｐｒ．２０１２Ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３—５０６０．２０１２．０４．００１铝合金与玻璃钢汽车引擎盖的生命周期评价刘志峰，王进京，张雷，鲍宏（合肥工业大学机械与汽车工程学院．安徽合肥２３０００９）摘要：文章对铝合金和复合材料汽车引擎盖的生命周期环境影响进行了评价和对比分析，结果表明，在原材料获取阶段和加工制造阶段，铝合金引擎盖的环境影响大于复合材料引擎盖。使用阶段的低油耗使得前者的生命周期环境影响小于后者。由分析单一引擎盖零部件扩展到整车。将使用１００ｋｇ铝合金的汽车Ａ与使用１２０ｋｇ复合材料的汽车Ｂ进行对比分析。汽车Ａ的生命周期环境影响小于汽车Ｂ，但在车辆行驶至第７年之前，即累计行程为１４．８５×１０４ｋｍ，汽车Ａ生命周期环境影响大于汽车Ｂ。关键词：铝合金；复合材料；引擎盖；生命周期评价；环境影响中图分类号：ＴＨｌ４２．２；ＴＨｌ４５文献标识码：Ａ文章编号：１００３—５０６０（２０１２）０４—０４３３—０６ＬｉｆｅｃｙｃｌｅａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｏｆａｕｔｏｍｏｔｉｖｅｅｎｇｉｎｅｈｏｏｄｓｍａｄｅｏｆａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙａｎｄｇｌａｓｓｍａｔｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃＬＩＵＺｈｉ—ｆｅｎｇ，ＷＡＮＧＪｉｎｏｉｎｇ，ＺＨＡＮＧＬｅｉ，ＢＡＯＨｏｎｇ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｃｈｉｎｅｒｙａｎｄＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．ＨｅｆｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ２３０００９?Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｌｉｆｅｃｙｃｌｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｉｍｐａｃｔｏｆａｕｔｏｍｏｔｉｖｅｅｎｇｉｎｅｈｏｏｄｓｍａｄｅｏｆａｌｕｍｉ—ｎｕｍａｌｌｏｙａｎｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｌａｓｔｉｃｉｓｅｓｔｉｍａｔｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄｃｏｎｔｒａｓｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｄｕｒｉｎｇｔｈｅｐｈａｓｅｓｏｆｏｂｔａｉｎｉｎｇｒａｗｍａｔｅｒｉａｉａｎｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，ｔｈｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｉｍｐａｃｔｏｆａｕｔｏｍｏｔｉｖｅｅｎ—ｇｉｎｅｈｏｏｄｓｍａｄｅｏｆａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｉｓｌａｒｇｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆｔｈｅｏｎｅｓｍａｄｅｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｌａｓｔｉｃ，ｗｈｉｌｅｔｈｅｌｉｆｅｃｙｃｌｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｉｍｐａｃｔｏｆｔｈｅｆｏｒｍｅｒｉｓｌｅｓｓｔｈａｎｔｈａｔｏｆｔｈｅｌａｔｔｅｒｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｌｏｗｅｒｇａｓｏ－ｌｉｎｅｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｄｕｒｉｎｇｓｅｒｖｉｃｉｎｇｐｈａｓｅ．Ｔｈｅａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｉｓｅｘｔｅｎｄｅｄｆｒｏｍｔｈｅｅｎｇｉｎｅｈｏｏｄｔｏｔｈｅｅｎ—ｔｉｒｅａｕｔｏｍｏｔｉｖｅａｓｔｈｅａｕｔｏｍｏｔｉｖｅＡｕｓｉｎｇ１００ｋｇａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｉｓｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅａｕｔｏｍｏｔｉｖｅＢｕｓｉｎｇ１２０ｋｇｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｌａｓｔｉｃ．ＴｈｅｌｉｆｅｃｙｃｌｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｉｍｐａｃｔｏｆａｕｔｏｍｏｔｉｖｅＡｉｓｌｅｓｓｔｈａｎｔｈａｔｏｆａｕｔｏｍｏｔｉｖｅＢ．ｗｈｉｌｅｔｈｅｉｍｐａｃｔｏｆａｕｔｏｍｏｔｉｖｅＡｉＳｌａｒｇｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆａｕｔｏｍｏｔｉｖｅＢｕｎｔｉｌｔｈｅａｕｔｏ－ｍｏｔｉｖｅｓｈａｖｅｓｅｒｖｅｄｆｏｒｓｅｖｅｎｙｅａｒｓ，ｒｅａｃｈｉｎｇａｎａｃｃｕｍｕｌａｔｉｖｅｄｉｓｔａｎｃｅｏｆ１４８５００ｋｍ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙ；ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｌａｓｔｉｃ；ｅｎｇｉｎｅｈｏｏｄ；ｌｉｆｅｃｙｃｌｅａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ；ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｉｍｐａｃｔ０引言质量降低１０％，燃油效率提高６％－－－８％；质量减少１００ｋｇ，百公里油耗降低０．２＂－０．８Ｌ，每公里截止到２０１０年９月。我国汽车保有量达到ｃ（）２的排放量可减少５ｇ。文献［３］统计了我国８５００万辆，超越了日本成为仅次于美国的全球汽２１个品牌９７种车型１３８４例普通轿车，通过实验车保有量第二大国。随着汽车保有量的不断增得出车辆行驶百公里耗油量￡与汽车质量ｍ的加，尾气排放日益严重，环境污染已成为当今威胁关系为：人类生存和发展的重要因素［１］，人们生态系统保￡＝６．７２×１０一３ｍｌ?０１９‘（１）护意识的提高迫使我国汽车产业面临新的问由（１）式可知，燃油消耗量随着汽车质量的减题——节能减排。实验数据表明［２］，若汽车整备轻而降低，因此汽车轻量化对于节约能源、减少排收稿日期：２０１卜１０一０９；修回日期：２０１１＿１２一０６基金项目：国家“十二五”科技支撑计划资助项同（２０１１ＢＡＦｌｌＢ０４）作者简介：刘忠峰（１９６３－－）．男．陕西宝鸡人。博．上。合肥工业大学教授．博士生导师万方数据４３４合肥工业大学学赧（自然科学版）第３５卷放、实现可持续发展战略具有十分莆要的意义，使用新型材料是实现汽车轻量化的主要途径之一。汽车轻量化的新型材料主要有高强度钢、铝合金、镁合金、钛合金、蠼料和复合材料等。如美国新一代汽车合作攻关计划开发的轿车，其车身全部采用高强度钢板，质量仅２１８ｋｇ４。。Ａｕｄｉ公司提出ＡＳＦ（ＡｕｄｉＳｐａｃｅＦｒａｍｅ，简称ＡＳＥ）概念，采用全铝车身框架，最典型的Ａ８伞铝车身轻鞋化比例达４０％。英国陆虎公司使用的高精度铝合金发动机气缸盖铸件，其质量仅是铸铁气缸盖的６％［５］。福特汽车公司生产的Ｐ２０００型轻质概念车，所采用的铸镁车轮单个质量为３．１ｋｇ，相比钢板冲压车轮，其质量轻了５ｋ。我国奇瑞汽车公司的东方之子车型中使用ＧＭＴ（ＧｌａｓｓＭａｔｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄＴｈｅｒｍｏ－ｐｌａｓｔｉｃ，简称ＧＭＴ）成型的前保险杠缓冲器支架，质量为单件６ｋｇ左右。虽然新型材料零部件的应用使汽车在行驶过程中的油耗降低、节约能源和减少环境污染，但其原材料获取和加工制造阶段的能耗和污染物排放量将大于对传统材料的获取和制造。因为大鼍使用铝和ＰＥＴ（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ，简称ＰＥＴ）代替钢材的汽车，在原材料获取加工制造阶段，其能耗是普通汽车的２倍，污染物排放量也明显增加［６３；镁质零部件在原材料提取阶段的能耗和温室气体排放也远远大于钢质零部件［７』。因此，全面评价汽车使用新型材料对环境的影响．必须从全生命周期过程出发，利用生命周期评价模型得出系统而全面的环境影响结果。文献Ｅ８］描述了国内汽车铝合金替代件的温室气体排放和能耗的牛命周期评价模型，通过分析．使用铝合金替代件的汽车町降低６％的温室气体排放和能耗。文献１９１利用牛命周期评价方法对中国内地台式汁算机进行了环境影响评价．得出在计算机加工制造阶段对环境的影响较为严重，为设计人员提高产品的环保指数提供了参考。文献［１０３研究了铝合金材料汽车举升门的生命周期能量消耗．发现使用铝合金材料举升门的汽车比使用钢材料举升门的同款汽车．在全生命周期过程内节约能耗达１．８ＧＪ。铝合金和复合材料的使用作为实现汽车轻量化的重要方式，被越来越多地应用于新型汽车的生产，对使用轻质材料的汽车进行生命周期环境影响评价十分重要。国内外关于轻质材料的生命周期研究大多数是针对单一材料和普通钢材料进行对比，对２种轻质材料进行生命周期对比分析的研究较少，本文利用生命周期评价模型，以万方数据ＧＭＴ复合材料和铝合金汽车引擎盖为研究对象，考虑原材料的获取、零部件的制造、使用以及回收处理阶段，综合评价其各阶段和全生命周期过程的环境影响。１铝合金和复合材料２０世纪７０年代，部分汽车企业开始对引擎盖采用铝合金材料，达到同样的力学性能指标，铝合金比钢轻６０％；承受同样冲击，铝合金板比钢板多吸收冲击能５０％。汽车用铝合金按加工工艺可分为铸造铝合金和形变铝合金，铸造铝合金多用于壳体件和部分结构件，如全铝发动机壳、减速器壳等；而引擎盖采用的铝合金则属于形变铝合金，先经过熔炼成铝锭后再经过热挤压加工成型为板材［ｕ］。铝合金的高回收利用率也是其主要特点之一。目前国外铝合金回收利用率高达８０％以上，汽车用铝合金材料６０％以上为再生铝，回收生产ｌｔ铝合金要比重新生产１ｔ铝合金少耗能９５％［挖］。车用复合材料则最先被用于跑车车身，随着汽车轻量化越来越紧迫，复合材料被应用于汽车车身结构件和覆盖件。汽车常用的复合材料为树维（玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等）为增强材料，经成型工艺复合而成的材料，基体材料和增强材料在性能上取长补短，使复合材料具有良好的综合性能。由于碳纤维和芳纶纤维成本较高，玻璃最多的树脂基复合材料，其中，玻璃纤维毡增强热塑性材料以机械性能优越、成型性能好、成本低和可回收利用等优点，被认为是２０世纪汽车工业的表１铝合金和（；ＭＴ的剐度和强度性能表１中，ＰＰ（＇Ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）为聚丙烯；ＧＦ脂泉复合材料．又叫纤维增强塑料。是以树脂（聚丙烯Ｈ旨、环氧树脂、聚乙烯脂等）为基体材料，以纤纤维增强材料。俗称“玻璃钢”，是目前汽车上应用最大突破之一，铝合金和ＧＭＴ的刚度和强度性能见表１所列。由表１可知，ＧＭＴ材料的密度最小，比铝合金减小３０％，但铝合金的强度特性和刚度特性要好于ＧＭＴ材料。第４期刘志峰，等：铝合金与玻璃钢汽车引擎盖的生命周期评价４３５（ｇｌａｓｓｆｉｂｅｒ）为玻璃纤维；强度特性为拉伸强度与密度之比；刚度特性为弹性模量与密度之比。２汽车引擎盖的生命周期评价２．１生命周期评价方法生命周期评价（ＬｉｆｅＣｙｃｌｅＡｓｓｅｓｓｍｅｎｔ，简称ＬＣＡ）着眼于“从摇篮到坟墓”的全过程，是对某种产品系统或行为相关的环境负荷进行量化评价的过程。通过辨识和量化输入的物质、能量和对环境的排放，评价输入和排放的影响。评价包括产品或行为的整个生命周期，即包括原材料的采集和加工、产品制造、产品营销、使用、维护、循环利用和最终处理，以及涉及的所有运输过程［１３Ｉ。由国际环境毒理学与化学学会（ＴｈｅＳｏｃｉｅｔｙｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＴｏｘｉｃｏｌｏｇｙａｎｄＣｈｅｍｉｓｔｒｙ，简称ＳＥＴＡＣ）在１９９０年首次系统地提出，之后ＩＳ０正式颁布ＩＳ０１４０４０标准［１４｜，将生命周期评价分为相互联系不断重复的４个步骤：目标和范围确定、清单分析、影响评价和结果解释，生命周期评价的框架如图１所示。蓼生命周期评价框架直接应用士ｆ结?产品开发与酌果?战略规划清单分析】．‘解?公共政策；｝ｊＩＪ定工工释?营销?其他影响评价１．图ＩＬＣＡ的技术框架（１）目标与范围确定。确定研究目的、产品系统、功能单位、边界和假设条件等。（２）清单分析。此步骤是生命周期评价的基础，在确定的产品系统内，对每个过程单元建立相应的系统输入、输出，即对产品、工艺或者活动整个生命周期阶段的资源、能源消耗和向环境的排放，进行数据域化分析。（３）影响评价。通过使用与清单结果相关的影响类型和类型参数，对清单分析阶段所识别出来的环境负荷影响进行定量和定性的描述与评价㈣。（４）结果解释。对评价结果进行分析，识别关键问题，提出改进建议。万方数据２。２目的与范围确定本文选用ＧＭＴ材料和铝合金的同一款不同材料的引擎盖为研究对象，目的是通过对２种引擎盖的ＬＣＡ分析，可以对２种材料的引擎盖生命周期各阶段的环境影响差异进行对比，为设计人员提高其环境效益提供参考依据。以某款国产轿车为例，汽车整备质量为１１００ｋｇ，其中钢质引擎盖质量１２．４３５ｋｇ（外板：７．４６１ｋｇ；内板：４．９７４ｋｇ）。按照文献［１６３的设计方案得出：相对于低碳钢材料，铝合金引擎盖的减重效果为３５．９％，用玻璃纤维代替碳纤维，可以计算出ＧＭＴ材料引擎盖的减重效果为２９．３％。该款轿车２种材料引擎盖下的主要参数及假设见表２所列。表２某款轿车２种材料引擎盖下的主要参数及假设注：汽车寿命按１５ａ行驶３０００００ｋｍ。引擎盖的整个生命周期过程如图２所示，运输和销售阶段相对其他阶段对环境的影响较小，暂且忽略不计。而在使用过程中维修阶段，由于数据搜集难度较大，不确定性大，故不予考虑。因此，把引擎盖的整个生命周期过程分为原材料获取、加工制造、使用和回收处理４个阶段。输入；：输出｝＿◆废气ｐ废水原材料—毫．一＋废渣能源—＊ｐ产品ｂ其他田ｚ引●董的生命周期过租４３６合肥工业大学学报（自然科学版）第３５卷２．３清单分析２．３．１原材料获取阶段与加工制造阶段铝合金汽车引擎盖的制造过程是先将原材料获取阶段的铝锭经过热挤压加工成型为板材，之后通过冲压、翻边、滚压和黏接制造出铝合金引擎盖。在ＧＭＴ材料引擎盖的制造过程中首先用于法工艺，将玻璃纤维毡和ＰＰ片材叠合后，经加热、加压、浸渍、冷却定型和切断等工序制成ＧＭＴ片材，然后采用冲压成型工艺，按样板将ＧＭＴ片料下料，加热到一定温度装模，快速合模加压，经冷却、脱模、切边和修整得到ＧＭＴ制品。假设２种材料引擎盖的涂漆过程相同，可忽略不计，铝合金材料和ＧＭＴ材料的引擎盖原材料提取阶段和加工制造阶段的污染物排放和能耗，见表３所列。裹３２种引擎盖原材料的污染物排放和能耗Ｉ【ｇ注：数据来源于ＧａＢｉ４．３软件数据库。２．３．２使用阶段车辆在行驶过程中不仅排放大量的环境污染物，还消耗大量燃油，因此，使用阶段的环境影响包括燃油排放和生产燃油过程中的环境影响，参考ＧａＢｉ４．３软件数据库，得出生产１ｔ汽油和汽车燃烧１ｔ汽油的污染物排放，见表４所歹Ｉｊ。衰４生产汽油和汽车燃烧汽油的污染物排放ｌ【ｇ万方数据在使用过程中，汽车的使用寿命按累计行驶３０００００ｋｍ计算，结合表２的汽车油耗数据，安装了铝合金引擎盖和复合材料引擎盖的汽车，在整个生命周期过程中，消耗燃油量为２５２２７。．３Ｌ和２５２４６．５Ｌ，按密度为０．７６ｋｇ／Ｌ转化为质量，分别为１９１７２．７５ｋｇ和１９１８７．３４ｋｇ。汽车引擎盖在使用过程中依附于汽车整体的使用．在使用阶段，计算引擎盖的环境影响以整车为对象，按引擎盖占整车总重的质量比进行分配。２．３．３回收处理阶段铝合金材料和ＧＭＴ复合材料都属于可回收利用的材料，回收再利用性能较好，１ｋｇ废弃铝可回收得到０．９８ｋｇ再生铝。１９９８年美国的ｔ，占总消耗量５８１×１０４ｔ的５６．５％，日本再生铝１１５．５×１０４ｔ。占消耗量２０８×１０４ｔ的５５．５％。ＧＭＴ材料属于热塑性复合材料，在ＧＭＴ制品生命周期结束后可反复回收利用，回收料重复利用２次，各项性能不会发生明显下降，将废弃的ＧＭＴ制品粉碎成颗粒加入新料中使用，添加量为１０％时不会影响其加工性能，添加量为３０％时，基本性能不受影响ｔ１７］。使用主机电动功率为１５～２２ｋｗ、加热功字为１０～２４ｋＷ、月产量为１００ｔ的废旧塑料再生造粒机组，进行ＧＭＴ制品的回收再造粒，按每天工作８ｈ计算，每回收生产ｌｔＧＭＴ再造粒耗能３１７．９５２Ⅶ。在回收过程中，回收得到的再生铝和再生颗粒都可以再使用生产新产品，节约了原材料的生产，降低了原材料获取阶段的环境影响。因此，回收阶段的环境影响ＥＪ等于回收阶段的直接环境影响Ｅ１。减去节省的原材料提取时的环境影响Ｅｆ。，即ＥＩ—ＥＩ。一Ｅ１。一∑ｌｌｌｉｅｉ一∑ｍｉｒ［ｏｉ（２）其中，ｍｉ为待回收的第ｉ种材料的质量，ｉ一１；岛为回收单位质量第ｉ种材料的环境影响；刁为第ｉ种材料的回收率；功为提取单位质量第ｉ种原材料的环境影响［１］。３环境影响评价结果运用生命周期评价软件ＧａＢｉ４．３对铝合金引擎盖和复合材料引擎盖进行全生命周期评价，采用ＥＤＩＰ２００３（ＰＥＴ．ＥＵ２００４）生命周期影响评价方法，把环境影响类型分为酸化、水体富营养化、全球变暖、人类光化学臭氧接触、植物光化学再生铝产量就达３２８×１０４