鋁合金與玻璃鋼汽車引擎蓋的生命周期評價

劉志峰， 王進(jìn)京， 張 雷， 鮑 宏

－（合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

鋁合金與玻璃鋼汽車引擎蓋的生命周期評價

劉志峰， 王進(jìn)京， 張 雷， 鮑 宏

－（合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

文章對鋁合金和復(fù)合材料汽車引擎蓋的生命周期環(huán)境影響進(jìn)行了評價和對比分析，結(jié)果表明，在原材料獲取階段和加工制造階段，鋁合金引擎蓋的環(huán)境影響大于復(fù)合材料引擎蓋，使用階段的低油耗使得前者的生命周期環(huán)境影響小于后者。由分析單一引擎蓋零部件擴(kuò)展到整車，將使用100kg鋁合金的汽車A與使用120kg復(fù)合材料的汽車B進(jìn)行對比分析。汽車A的生命周期環(huán)境影響小于汽車B，但在車輛行駛至第7年之前，即累計行程為14.85×104km，汽車A生命周期環(huán)境影響大于汽車B。

鋁合金；復(fù)合材料；引擎蓋；生命周期評價；環(huán)境影響

0 引 言

截止到2010年9月，我國汽車保有量達(dá)到8 500萬輛，超越了日本成為僅次于美國的全球汽車保有量第二大國。隨著汽車保有量的不斷增加，尾氣排放日益嚴(yán)重，環(huán)境污染已成為當(dāng)今威脅人類生存和發(fā)展的重要因素［1］，人們生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)意識的提高迫使我國汽車產(chǎn)業(yè)面臨新的問題——節(jié)能減排。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明［2］，若汽車整備質(zhì)量降低10%，燃油效率提高6%～8%；質(zhì)量減少100kg，百公里油耗降低0.2～0.8L，每公里CO2的排放量可減少5g。文獻(xiàn)［3］統(tǒng)計了我國21個品牌97種車型1 384例普通轎車，通過實(shí)驗(yàn)得出車輛行駛百公里耗油量ε與汽車質(zhì)量m的關(guān)系為：

由（1）式可知，燃油消耗量隨著汽車質(zhì)量的減輕而降低，因此汽車輕量化對于節(jié)約能源、減少排放、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略具有十分重要的意義，使用新型材料是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的主要途徑之一。汽車輕量化的新型材料主要有高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金、鈦合金、塑料和復(fù)合材料等。如美國新一代汽車合作攻關(guān)計劃開發(fā)的轎車，其車身全部采用高強(qiáng)度鋼板，質(zhì)量僅218kg［4］。Audi公司提出ASF（Audi Space Frame，簡稱ASE）概念，采用全鋁車身框架，最典型的A8全鋁車身輕量化比例達(dá)40%。英國陸虎公司使用的高精度鋁合金發(fā)動機(jī)氣缸蓋鑄件，其質(zhì)量僅是鑄鐵氣缸蓋的6%［5］。福特汽車公司生產(chǎn)的P2000型輕質(zhì)概念車，所采用的鑄鎂車輪單個質(zhì)量為3.1kg，相比鋼板沖壓車輪，其質(zhì)量輕了5kg。我國奇瑞汽車公司的東方之子車型中使用GMT（Glass Mat reinforced Thermoplastic，簡稱GMT）成型的前保險杠緩沖器支架，質(zhì)量為單件6kg左右。

雖然新型材料零部件的應(yīng)用使汽車在行駛過程中的油耗降低、節(jié)約能源和減少環(huán)境污染，但其原材料獲取和加工制造階段的能耗和污染物排放量將大于對傳統(tǒng)材料的獲取和制造。因?yàn)榇罅渴褂娩X和PET（polyethylene terephthalate，簡稱PET）代替鋼材的汽車，在原材料獲取加工制造階段，其能耗是普通汽車的2倍，污染物排放量也明顯增加［6］；鎂質(zhì)零部件在原材料提取階段的能耗和溫室氣體排放也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋼質(zhì)零部件［7］。因此，全面評價汽車使用新型材料對環(huán)境的影響，必須從全生命周期過程出發(fā)，利用生命周期評價模型得出系統(tǒng)而全面的環(huán)境影響結(jié)果。文獻(xiàn)［8］描述了國內(nèi)汽車鋁合金替代件的溫室氣體排放和能耗的生命周期評價模型，通過分析，使用鋁合金替代件的汽車可降低6%的溫室氣體排放和能耗。文獻(xiàn)［9］利用生命周期評價方法對中國內(nèi)地臺式計算機(jī)進(jìn)行了環(huán)境影響評價，得出在計算機(jī)加工制造階段對環(huán)境的影響較為嚴(yán)重，為設(shè)計人員提高產(chǎn)品的環(huán)保指數(shù)提供了參考。文獻(xiàn)［10］研究了鋁合金材料汽車舉升門的生命周期能量消耗，發(fā)現(xiàn)使用鋁合金材料舉升門的汽車比使用鋼材料舉升門的同款汽車，在全生命周期過程內(nèi)節(jié)約能耗達(dá)1.8GJ。

鋁合金和復(fù)合材料的使用作為實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的重要方式，被越來越多地應(yīng)用于新型汽車的生產(chǎn)，對使用輕質(zhì)材料的汽車進(jìn)行生命周期環(huán)境影響評價十分重要。國內(nèi)外關(guān)于輕質(zhì)材料的生命周期研究大多數(shù)是針對單一材料和普通鋼材料進(jìn)行對比，對2種輕質(zhì)材料進(jìn)行生命周期對比分析的研究較少，本文利用生命周期評價模型，以GMT復(fù)合材料和鋁合金汽車引擎蓋為研究對象，考慮原材料的獲取、零部件的制造、使用以及回收處理階段，綜合評價其各階段和全生命周期過程的環(huán)境影響。

1 鋁合金和復(fù)合材料

20世紀(jì)70年代，部分汽車企業(yè)開始對引擎蓋采用鋁合金材料，達(dá)到同樣的力學(xué)性能指標(biāo)，鋁合金比鋼輕60%；承受同樣沖擊，鋁合金板比鋼板多吸收沖擊能50%。汽車用鋁合金按加工工藝可分為鑄造鋁合金和形變鋁合金，鑄造鋁合金多用于殼體件和部分結(jié)構(gòu)件，如全鋁發(fā)動機(jī)殼、減速器殼等；而引擎蓋采用的鋁合金則屬于形變鋁合金，先經(jīng)過熔煉成鋁錠后再經(jīng)過熱擠壓加工成型為板材［11］。鋁合金的高回收利用率也是其主要特點(diǎn)之一，目前國外鋁合金回收利用率高達(dá)80%以上，汽車用鋁合金材料60%以上為再生鋁，回收生產(chǎn)1t鋁合金要比重新生產(chǎn)1t鋁合金少耗能95%［12］。

車用復(fù)合材料則最先被用于跑車車身，隨著汽車輕量化越來越緊迫，復(fù)合材料被應(yīng)用于汽車車身結(jié)構(gòu)件和覆蓋件。汽車常用的復(fù)合材料為樹脂基復(fù)合材料，又叫纖維增強(qiáng)塑料，是以樹脂（聚丙烯脂、環(huán)氧樹脂、聚乙烯脂等）為基體材料，以纖維（玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等）為增強(qiáng)材料，經(jīng)成型工藝復(fù)合而成的材料，基體材料和增強(qiáng)材料在性能上取長補(bǔ)短，使復(fù)合材料具有良好的綜合性能。由于碳纖維和芳綸纖維成本較高，玻璃纖維增強(qiáng)材料，俗稱“玻璃鋼”，是目前汽車上應(yīng)用最多的樹脂基復(fù)合材料，其中，玻璃纖維氈增強(qiáng)熱塑性材料以機(jī)械性能優(yōu)越、成型性能好、成本低和可回收利用等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是20世紀(jì)汽車工業(yè)的最大突破之一，鋁合金和GMT的剛度和強(qiáng)度性能見表1所列。由表1可知，GMT材料的密度最小，比鋁合金減小30%，但鋁合金的強(qiáng)度特性和剛度特性要好于GMT材料。

表1 鋁合金和GMT的剛度和強(qiáng)度性能

表1中，PP（Polypropylene）為聚丙烯；GF（glass fiber）為玻璃纖維；強(qiáng)度特性為拉伸強(qiáng)度與密度之比；剛度特性為彈性模量與密度之比。

2 汽車引擎蓋的生命周期評價

2.1 生命周期評價方法

生命周期評價（Life Cycle Assessment，簡稱LCA）著眼于“從搖籃到墳?zāi)埂钡娜^程，是對某種產(chǎn)品系統(tǒng)或行為相關(guān)的環(huán)境負(fù)荷進(jìn)行量化評價的過程。通過辨識和量化輸入的物質(zhì)、能量和對環(huán)境的排放，評價輸入和排放的影響。評價包括產(chǎn)品或行為的整個生命周期，即包括原材料的采集和加工、產(chǎn)品制造、產(chǎn)品營銷、使用、維護(hù)、循環(huán)利用和最終處理，以及涉及的所有運(yùn)輸過程［13］。由國際環(huán)境毒理學(xué)與化學(xué)學(xué)會（The Society of Environmental Toxicology and Chemistry，簡稱SETAC）在1990年首次系統(tǒng)地提出，之后ISO正式頒布ISO14040標(biāo)準(zhǔn)［14］，將生命周期評價分為相互聯(lián)系不斷重復(fù)的4個步驟：目標(biāo)和范圍確定、清單分析、影響評價和結(jié)果解釋，生命周期評價的框架如圖1所示。

圖1 LCA的技術(shù)框架

（1）目標(biāo)與范圍確定。確定研究目的、產(chǎn)品系統(tǒng)、功能單位、邊界和假設(shè)條件等。

（2）清單分析。此步驟是生命周期評價的基礎(chǔ)，在確定的產(chǎn)品系統(tǒng)內(nèi)，對每個過程單元建立相應(yīng)的系統(tǒng)輸入、輸出，即對產(chǎn)品、工藝或者活動整個生命周期階段的資源、能源消耗和向環(huán)境的排放，進(jìn)行數(shù)據(jù)量化分析。

（3）影響評價。通過使用與清單結(jié)果相關(guān)的影響類型和類型參數(shù)，對清單分析階段所識別出來的環(huán)境負(fù)荷影響進(jìn)行定量和定性的描述與評價［15］。

（4）結(jié)果解釋。對評價結(jié)果進(jìn)行分析，識別關(guān)鍵問題，提出改進(jìn)建議。

2.2 目的與范圍確定

本文選用GMT材料和鋁合金的同一款不同材料的引擎蓋為研究對象，目的是通過對2種引擎蓋的LCA分析，可以對2種材料的引擎蓋生命周期各階段的環(huán)境影響差異進(jìn)行對比，為設(shè)計人員提高其環(huán)境效益提供參考依據(jù)。

以某款國產(chǎn)轎車為例，汽車整備質(zhì)量為1 100kg，其中鋼質(zhì)引擎蓋質(zhì)量12.435kg（外板：7.461kg；內(nèi)板：4.974kg）。按照文獻(xiàn)［16］的設(shè)計方案得出：相對于低碳鋼材料，鋁合金引擎蓋的減重效果為35.9%，用玻璃纖維代替碳纖維，可以計算出GMT材料引擎蓋的減重效果為29.3%。該款轎車2種材料引擎蓋下的主要參數(shù)及假設(shè)見表2所列。

表2 某款轎車2種材料引擎蓋下的主要參數(shù)及假設(shè)

引擎蓋的整個生命周期過程如圖2所示，運(yùn)輸和銷售階段相對其他階段對環(huán)境的影響較小，暫且忽略不計。而在使用過程中維修階段，由于數(shù)據(jù)搜集難度較大，不確定性大，故不予考慮。因此，把引擎蓋的整個生命周期過程分為原材料獲取、加工制造、使用和回收處理4個階段。

圖2 引擎蓋的生命周期過程

2.3 清單分析

2.3.1 原材料獲取階段與加工制造階段

鋁合金汽車引擎蓋的制造過程是先將原材料獲取階段的鋁錠經(jīng)過熱擠壓加工成型為板材，之后通過沖壓、翻邊、滾壓和黏接制造出鋁合金引擎蓋。在GMT材料引擎蓋的制造過程中首先用干法工藝，將玻璃纖維氈和PP片材疊合后，經(jīng)加熱、加壓、浸漬、冷卻定型和切斷等工序制成GMT片材，然后采用沖壓成型工藝，按樣板將GMT片料下料，加熱到一定溫度裝模，快速合模加壓，經(jīng)冷卻、脫模、切邊和修整得到GMT制品。假設(shè)2種材料引擎蓋的涂漆過程相同，可忽略不計，鋁合金材料和GMT材料的引擎蓋原材料提取階段和加工制造階段的污染物排放和能耗，見表3所列。

表3 2種引擎蓋原材料的污染物排放和能耗 kg

2.3.2 使用階段

車輛在行駛過程中不僅排放大量的環(huán)境污染物，還消耗大量燃油，因此，使用階段的環(huán)境影響包括燃油排放和生產(chǎn)燃油過程中的環(huán)境影響，參考GaBi 4.3軟件數(shù)據(jù)庫，得出生產(chǎn)1t汽油和汽車燃燒1t汽油的污染物排放，見表4所列。

表4 生產(chǎn)汽油和汽車燃燒汽油的污染物排放 kg

在使用過程中，汽車的使用壽命按累計行駛300 000km計算，結(jié)合表2的汽車油耗數(shù)據(jù)，安裝了鋁合金引擎蓋和復(fù)合材料引擎蓋的汽車，在整個生命周期過程中，消耗燃油量為25 227.3L和25 246.5L，按密度為0.76kg／L轉(zhuǎn)化為質(zhì)量，分別為19 172.75kg和19 187.34kg。汽車引擎蓋在使用過程中依附于汽車整體的使用，在使用階段，計算引擎蓋的環(huán)境影響以整車為對象，按引擎蓋占整車總重的質(zhì)量比進(jìn)行分配。

2.3.3 回收處理階段

鋁合金材料和GMT復(fù)合材料都屬于可回收利用的材料，回收再利用性能較好，1kg廢棄鋁可回收得到0.98kg再生鋁。1998年美國的再生鋁產(chǎn)量就達(dá)328×104t，占總消耗量581×104t的56.5%，日本再生鋁115.5×104t，占消耗量208×104t的55.5%。GMT材料屬于熱塑性復(fù)合材料，在GMT制品生命周期結(jié)束后可反復(fù)回收利用，回收料重復(fù)利用2次，各項(xiàng)性能不會發(fā)生明顯下降，將廢棄的GMT制品粉碎成顆粒加入新料中使用，添加量為10%時不會影響其加工性能，添加量為30%時，基本性能不受影響［17］。使用主機(jī)電動功率為15～22kW、加熱功率為10～24kW、月產(chǎn)量為100t的廢舊塑料再生造粒機(jī)組，進(jìn)行GMT制品的回收再造粒，按每天工作8h計算，每回收生產(chǎn)1tGMT再造粒耗能317.952MJ。

在回收過程中，回收得到的再生鋁和再生顆粒都可以再使用生產(chǎn)新產(chǎn)品，節(jié)約了原材料的生產(chǎn)，降低了原材料獲取階段的環(huán)境影響。因此，回收階段的環(huán)境影響EI等于回收階段的直接環(huán)境影響EIre減去節(jié)省的原材料提取時的環(huán)境影響EIm，即

其中，mi為待回收的第i種材料的質(zhì)量，i＝1；ei為回收單位質(zhì)量第i種材料的環(huán)境影響；η為第i種材料的回收率；vi為提取單位質(zhì)量第i種原材料的環(huán)境影響［1］。

3 環(huán)境影響評價結(jié)果

運(yùn)用生命周期評價軟件GaBi 4.3對鋁合金引擎蓋和復(fù)合材料引擎蓋進(jìn)行全生命周期評價，采用EDIP2003（PET.EU2004）生命周期影響評價方法，把環(huán)境影響類型分為酸化、水體富營養(yǎng)化、全球變暖、人類光化學(xué)臭氧接觸、植物光化學(xué)臭氧接觸、臭氧層消耗和陸地富營養(yǎng)化7種，特征 化分析結(jié)果見表5所列。

表5 鋁合金和GMT引擎蓋的全生命周期環(huán)境影響

通過生命周期評價軟件把2種引擎蓋的全生命周期環(huán)境影響按照EDIP2003生命周期影響評價方法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和加權(quán)評估，結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 全生命周期的不同類型環(huán)境影響

圖4 生命周期各階段的綜合環(huán)境影響

由圖3、圖4可知，鋁合金引擎蓋的全生命周期環(huán)境影響值小于GMT材料的引擎蓋；植物光化學(xué)臭氧接觸、全球變暖和陸地富營養(yǎng)化的影響較為嚴(yán)重；2種材料的引擎蓋在使用階段的環(huán)境影響，占全生命周期環(huán)境影響的絕大部分；雖然在原材料獲取階段和加工制造階段，鋁合金引擎蓋的環(huán)境影響均大于GMT材料引擎蓋，但由于鋁合金引擎蓋比后者輕，使安裝了鋁合金引擎蓋的汽車在整個生命周期階段的油耗，比安裝GMT材料引擎蓋的汽車較少，從而減少了鋁合金引擎蓋使用階段的環(huán)境影響值。

通過生命周期環(huán)境影響分析可知，GMT材料引擎蓋在原材料階段和制造階段的環(huán)境影響均大于鋁合金引擎蓋，但是由于前者的質(zhì)量大于后者，燃油消耗也將隨著質(zhì)量的增加而增加，從而導(dǎo)致使用階段的環(huán)境影響增大。汽車使用階段的壽命為15a（行駛300 000km），在使用階段剛開始時，使用GMT材料的汽車環(huán)境影響小于使用鋁合金材料的汽車，隨著使用年限的增長，汽車燃油消耗量也逐漸增加。由于使用GMT材料零部件的汽車油耗大于使用鋁合金材料零部件的汽車，在行駛一定時間后，使用GMT材料的汽車環(huán)境影響等于使用鋁合金材料的汽車，經(jīng)過此臨界值后，前者將大于后者。

由單一汽車引擎蓋擴(kuò)展到整車，假設(shè)汽車A使用了100kg鋁合金零部件（整車1 500kg），汽車B使用120kg GMT材料代替鋁合金材料零部件（整車重1 520kg），零部件的制造工藝與引擎蓋相同，根據(jù)文獻(xiàn)［8］，每年行駛的累計路程按圖5所示計算，隨著汽車行駛累計路程的增加，汽車A和B的環(huán)境影響結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出當(dāng)行駛至第7年，即累計路程達(dá)14.85×104km時，汽車A和汽車B的環(huán)境影響值相等，在之后的使用階段，汽車A的環(huán)境保護(hù)的優(yōu)越性將體現(xiàn)出來。

圖5 汽車每年行駛的累積路程

圖6 汽車A和B的綜合環(huán)境影響

4 結(jié)束語

雖然鋁合金的密度大于GMT，但鋁合金的材料性能優(yōu)于GMT材料，使得應(yīng)用鋁合金材料零部件質(zhì)量小于應(yīng)用GMT材料的相同零部件。即使在原材料獲取與加工制造階段，鋁合金材料零部件的環(huán)境影響大于GMT材料零部件，使用階段燃油消耗量的減少，使得前者全生命周期環(huán)境影響小于后者。

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Life cycle assessment of automotive engine hoods made of aluminum alloy and glass mat reinforced thermoplastic

LIU Zhi－feng， WANG Jin－jing， ZHANG Lei， BAO Hong
（School of Machinery and Automobile Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

In this paper，the life cycle environmental impact of automotive engine hoods made of aluminum alloy and composite plastic is estimated and analyzed contrastively.The result shows that during the phases of obtaining raw material and manufacturing，the environmental impact of automotive engine hoods made of aluminum alloy is larger than that of the ones made of composite plastic，while the life cycle environmental impact of the former is less than that of the latter because of the lower gasoline consumption during servicing phase.The assessment is extended from the engine hood to the entire automotive as the automotive A using 100kg aluminum alloy is compared with the automotive B using 120kg composite plastic.The life cycle environmental impact of automotive A is less than that of automotive B，while the impact of automotive A is larger than that of automotive B until the automotives have served for seven years，reaching an accumulative distance of 148 500km.

aluminum alloy；composite plastic；engine hood；life cycle assessment；environmental impact

TH142.2；TH145

A

1003－5060（2012）04－0433－06

10.3969／j.issn.1003－5060.2012.04.001

2011－10－09；

2011－12－06

國家“十二五”科技支撐計劃資助項(xiàng)目（2011BAF11B04）

劉志峰（1963－），男，陜西寶雞人，博士，合肥工業(yè)大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師.

（責(zé)任編輯 呂 杰）