俞 寧， 楊沿平， 秦雪梅， 彭 飛

(1.湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計制造國家重點實驗室 湖南 長沙 410082；2.重慶理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 重慶 400054)

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基于GaBi的發(fā)動機(jī)缸體節(jié)能減排評價研究

俞 寧1,2， 楊沿平1， 秦雪梅2， 彭 飛1

(1.湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計制造國家重點實驗室 湖南 長沙 410082；2.重慶理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 重慶 400054)

建立了汽車發(fā)動機(jī)缸體節(jié)能減排綜合評價模型，運用GaBi軟件對某汽車發(fā)動機(jī)缸體全生命周期的能量消耗和環(huán)境排放進(jìn)行分析，提出進(jìn)行綠色改進(jìn)，實現(xiàn)節(jié)能減排.

發(fā)動機(jī)缸體； GaBi； 節(jié)能減排

0 引言

開展汽車產(chǎn)品生命周期的節(jié)能減排是汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需要[1].生命周期評價是對產(chǎn)品從原材料開采、加工、使用到回收處理的一種評價方法，也稱“從搖籃到墳?zāi)埂钡姆治龇椒?開展汽車零部件產(chǎn)品生命周期評價，定量揭示汽車生命周期的能源消耗和環(huán)境污染問題，有利于尋求汽車產(chǎn)品的節(jié)能減排措施.GaBi軟件是生命周期評價專用工具之一[2]，由德國斯圖加特大學(xué)LBP研究所和德國PE公司共同研發(fā)，目前已經(jīng)發(fā)展到GaBi6版本.GaBi軟件在德國一些汽車企業(yè)開展產(chǎn)品綠色評價時應(yīng)用較多，但在國內(nèi)汽車企業(yè)應(yīng)用很少.

本文選取結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造工藝要求高的汽車發(fā)動機(jī)缸體作為研究對象，探索運用GaBi6軟件對發(fā)動機(jī)缸體產(chǎn)品生命周期的能耗與排放進(jìn)行評價，從而有針對性地提出改進(jìn)措施，實現(xiàn)節(jié)能減排.本文首先建立了節(jié)能減排綜合評價數(shù)學(xué)模型，在確定具體研究目標(biāo)與范圍的基礎(chǔ)上，對缸體進(jìn)行生命周期清單分析，得出發(fā)動機(jī)缸體節(jié)能減排評價結(jié)果，并提出相應(yīng)的改進(jìn)對策.

1 節(jié)能減排綜合評價模型

1.1 環(huán)境影響分析

GaBi6軟件選用萊頓大學(xué)環(huán)境研究中心發(fā)表的CML2001方法對環(huán)境影響進(jìn)行分析.該方法將環(huán)境影響分為人體健康潛力(HTP)、酸化潛力(AP)、海水水生生態(tài)毒性潛力(MAETP)、富營養(yǎng)化潛力(EP)、光化學(xué)形成潛力(POCP)、淡水水生生態(tài)毒性潛力(FAETP)、臭氧層耗竭潛力(ODP)、全球變暖潛力(GWP)和陸地生態(tài)毒性潛力(TETP)9種類型.要得到產(chǎn)品在全生命周期環(huán)境影響的綜合情況，首先需要計算各類型環(huán)境影響的權(quán)重.采用層次分析法建立的9種類型環(huán)境影響的重要性標(biāo)度見表1.

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，列出判斷矩陣A=(aij)9×9，根據(jù)公式(1)、(2)，求得HTP，AP，MAETP，EP，POCP，F(xiàn)AETP，ODP，GWP和TETP的環(huán)境影響權(quán)重分別為0.296，0.214，0.145，0.096，0.094，0.061，0.042，0.029，0.023.

(1)

(2)

表1 環(huán)境影響類型的重要性標(biāo)度Tab.1 The importance of environmental impact type

對判斷矩陣A進(jìn)行一致性檢驗，得到一致性比率CR=0.029 7<0.1，表明求得的9種類型環(huán)境影響權(quán)重是合理的.設(shè)9種類型環(huán)境影響總值為EI，其值可由(3)式求得，

EI=∑EIi×ωi.

(3)

1.2 能耗分析

在產(chǎn)品的原材料加工、制造、使用和回收階段均要消耗能量.設(shè)產(chǎn)品在第i階段的能耗為ECi，總能耗為EC.EC的計算公式為

EC=∑ECi.

(4)

1.3 節(jié)能減排綜合評價

為定量分析產(chǎn)品生命周期各階段環(huán)境影響和能量消耗的綜合情況，建立了節(jié)能減排綜合評價模型為

(5)

式中：α1和α2分別代表環(huán)境影響總值EI與總能耗EC的權(quán)重系數(shù).在設(shè)定權(quán)重系數(shù)時，采用了1～9的重要性標(biāo)度法以及層次分析法，得出權(quán)重值分別為0.67，0.33.

2 目標(biāo)與研究范圍

2.1 目標(biāo)的確定

汽車發(fā)動機(jī)缸體屬于方型箱體零件，其主要特點是：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸比較大，壁厚比較薄，剛度比較低，要加工多個精度要求較高的平面和孔系，還要加工較多供聯(lián)接用的螺紋孔等.對發(fā)動機(jī)缸體生命周期中涉及的能源消耗和污染物排放進(jìn)行綜合評價，為發(fā)動機(jī)缸體節(jié)能減排的改進(jìn)提供科學(xué)參考.

圖1 直列4缸發(fā)動機(jī)缸體

2.2 研究范圍

選擇某發(fā)動機(jī)廠某直列4缸發(fā)動機(jī)缸體(圖1)為研究對象，主要參數(shù)見表2.缸體的系統(tǒng)邊界與輸入輸出如圖2所示.

關(guān)于發(fā)動機(jī)缸體的系統(tǒng)邊界及輸入輸出說明如下：

1) 假設(shè)能源輸入為電能消耗,且電能來源全部為火力發(fā)電.國家統(tǒng)計局規(guī)定[3]，按火力發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗計算，1 kW·h電可折算為0.122 9 kg標(biāo)準(zhǔn)煤.

2) 輸入的物質(zhì)流和能量流全部以功能單位為基準(zhǔn)進(jìn)行量化.

3) 系統(tǒng)輸出主要考慮由空氣污染、水污染引起的環(huán)境問題，噪聲污染等環(huán)境影響不在研究范圍內(nèi).

表2 缸體的主要參數(shù)Tab.2 The major parameter of cylinder

圖2 缸體的系統(tǒng)邊界與輸入輸出

3 缸體生命周期清單分析

3.1 缸體毛坯生產(chǎn)階段

利用徐自立[4]對鋁合金缸體原材料的研究數(shù)據(jù)，推算出42 kg缸體毛坯消耗的原材料情況見表3.

表3 生產(chǎn)42 kg缸體毛坯的原材料消耗量Tab.3 The raw materials consumption of producing 42 kg cylinder workblank kg

應(yīng)用GaBi6軟件得到缸體毛坯生產(chǎn)階段主要污染物的排放和能耗，結(jié)果見表4.

表4 缸體毛坯生產(chǎn)階段的輸出清單數(shù)據(jù)Tab.4 The output listing data of cylinder workblank phase

3.2 缸體制造階段

通過實地調(diào)研和查閱資料，得到缸體制造階段的工藝數(shù)據(jù)及輔料數(shù)據(jù)[5].以功能單位為基準(zhǔn)進(jìn)行換算，求出缸體每個工藝過程的輸入數(shù)據(jù)見表5.

表5 缸體工藝過程的能量與輔料輸入清單數(shù)據(jù)Tab.5 The input listing data of energy and excipients during cylinder process

續(xù)表5

通過建立GaBi6軟件的缸體工藝流程模型，輸出各工序的空氣污染物排放(CO2,NO2,SO2,PM2.5)、水污染物排放和能源消耗數(shù)據(jù)清單.其中部分工序的數(shù)據(jù)輸出清單見表6.

表6 缸體制造階段的輸出清單數(shù)據(jù)(部分)Tab.6 The output listing data of cylinder manufacturing phase (section)

3.3 缸體使用階段

因為缸體在使用過程中產(chǎn)生的環(huán)境危害非常小，所以該階段的能耗和環(huán)境影響忽略不計.

3.4 缸體回收階段

缸體的回收方式有很多種，選擇的回收方式是回爐熔煉.電能消耗數(shù)據(jù)參考了劉少宇[6]對廢鋁合金回收處理的研究成果，可得缸體回收階段的輸入清單(表7).缸體回收階段GaBi6軟件的輸出結(jié)果見表8，從表8中數(shù)據(jù)可知，回收階段的熔煉過程產(chǎn)生的CO2最多，而其他空氣污染物則非常少.

表7 缸體回收階段的輸入清單數(shù)據(jù)Tab.7 The input listing data of cylinder recycle phase

表8 缸體回收階段的輸出清單數(shù)據(jù)Tab.8 The output listing data of cylinder recycle phase

4 發(fā)動機(jī)缸體節(jié)能減排綜合評價

4.1 環(huán)境影響

采用GaBi6軟件分析后，輸出發(fā)動機(jī)缸體在各生命周期階段的CML2001 9種類型環(huán)境影響結(jié)果見表9.根據(jù)公式(3)可得，缸體毛坯生產(chǎn)階段環(huán)境影響總值為22 845 kg，缸體制造階段環(huán)境影響總值為136 kg，缸體回收階段環(huán)境影響總值為114 kg，故發(fā)動機(jī)缸體全生命周期環(huán)境影響總值為23 095 kg.

表9 缸體各生命周期的環(huán)境影響Tab.9 The environmental implication of cylinder whole lifecycle kg

4.2 能源消耗

發(fā)動機(jī)缸體在毛坯生產(chǎn)、缸體制造、缸體回收階段的能源消耗量在折算為標(biāo)準(zhǔn)煤后的結(jié)果見表10.發(fā)動機(jī)缸體全生命周期的總能源消耗量為528.741 kg標(biāo)準(zhǔn)煤.

表10 缸體各生命周期的能源消耗Tab.10 The energy consumption of cylinder whole lifecycle kg

4.3 發(fā)動機(jī)缸體節(jié)能減排綜合評價

根據(jù)公式(5)可得，缸體毛坯生產(chǎn)階段的節(jié)能減排綜合評價為15 471 kg，缸體制造階段的節(jié)能減排綜合評價為97 kg，缸體回收階段的節(jié)能減排綜合評價為80 kg，故發(fā)動機(jī)缸體全生命周期節(jié)能減排綜合評價為15 648 kg.

5 結(jié)論

從研究結(jié)果可以看出，缸體各個生命周期階段節(jié)能減排綜合評價值從大到小排列為：缸體毛坯生產(chǎn)階段>缸體制造階段>缸體回收階段>缸體使用階段.因此，從全生命周期的角度來看，采用更加環(huán)保的缸體毛坯材料以及開展輕量化設(shè)計是實現(xiàn)缸體節(jié)能減排的關(guān)鍵.缸體在全生命周期對環(huán)境影響大小順序為：MAETP>GWP>HTP>TETP>FAETP>AP>EP>POCP>ODP，說明缸體在全生命周期內(nèi)污染排放物對海水水生生態(tài)毒性影響程度最大，其次會影響全球變暖.在缸體制造階段，產(chǎn)生環(huán)境危害較大的工序是浸滲，原因是該工序采用的設(shè)備能耗較大，同時加工時需要消耗約2 kg浸滲液.由此可知，通過選用低能耗設(shè)備以及精準(zhǔn)測算并減少浸滲液用量，可以提高該工序的節(jié)能減排效果.

[1] 曾勝強(qiáng)．我國汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展問題研究[J]．思想戰(zhàn)線，2011(S2)：105-107．

[2] 張磊．基于GaBi4的電動汽車生命周期評價研究[D]．合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2011．

[3] 國家統(tǒng)計局能源統(tǒng)計司．中國能源統(tǒng)計年鑒2012[M]．北京：中國統(tǒng)計出版社，2012：4．

[4] 徐自立．鋁合金發(fā)動機(jī)缸體材料的試驗研究[J]．武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2005(3)：11-12．

[5] 陳良江．長安汽車發(fā)動機(jī)缸體機(jī)械加工自動線總體設(shè)計與研究[D]．重慶：重慶大學(xué)，2001．

[6] 劉少宇．廢鋁合金回收處理及再利用技術(shù)[J]．有色金屬加工，2011，40(4)：1-4．

(責(zé)任編輯：孔 薇)

GaBi-based Assessment Research on the Energy-saving and Emission-reduction of Automobile Engine Cylinder

YU Ning1,2, YANG Yan-ping1， QIN Xue-mei2, PENG Fei1

(1.StateKeyLaboratoryofAdvancedDesignandManufacturingforVehicleBody,HunanUniversity，Changsha410082，China; 2.SchoolofMechanicalEngineering,ChongqingUniversityofTechnology,Chongqing400054,China)

The assessment model on energy-saving and emission-reduction of automobile engine cylinder was built. GaBi software was used to make analysis on life-cycle energy consumption and environmental emissions of a certain automobile engine cylinder. Green design was proposed to realize energy conservation and emissions reduction.

engine cylinder； GaBi； energy conservation and emission reduction

2014-12-11

國家自然科學(xué)基金資助項目，編號71173072.

俞寧(1974-)，女，浙江金華人，副教授,博士研究生，主要從事汽車技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究，E-mail：yuning@cqut.edu.cn.

俞寧，楊沿平，秦雪梅，等.基于GaBi的發(fā)動機(jī)缸體節(jié)能減排評價研究[J].鄭州大學(xué)學(xué)報：理學(xué)版，2015，47(2):115-120.

U464.231

A

1671-6841(2015)02-0115-06

10.3969/j.issn.1671-6841.2015.02.023