基于GaBi的发动机缸体节能减排评价研究

俞 宁， 杨沿平， 秦雪梅， 彭 飞

(1.湖南大学 汽车车身先进设计制造国家重点实验室 湖南 长沙 410082；2.重庆理工大学 机械工程学院 重庆 400054)



基于GaBi的发动机缸体节能减排评价研究

俞 宁1,2， 杨沿平1， 秦雪梅2， 彭 飞1

(1.湖南大学 汽车车身先进设计制造国家重点实验室 湖南 长沙 410082；2.重庆理工大学 机械工程学院 重庆 400054)

建立了汽车发动机缸体节能减排综合评价模型，运用GaBi软件对某汽车发动机缸体全生命周期的能量消耗和环境排放进行分析，提出进行绿色改进，实现节能减排.

发动机缸体； GaBi； 节能减排

0 引言

开展汽车产品生命周期的节能减排是汽车产业可持续发展的需要[1].生命周期评价是对产品从原材料开采、加工、使用到回收处理的一种评价方法，也称“从摇篮到坟墓”的分析方法.开展汽车零部件产品生命周期评价，定量揭示汽车生命周期的能源消耗和环境污染问题，有利于寻求汽车产品的节能减排措施.GaBi软件是生命周期评价专用工具之一[2]，由德国斯图加特大学LBP研究所和德国PE公司共同研发，目前已经发展到GaBi6版本.GaBi软件在德国一些汽车企业开展产品绿色评价时应用较多，但在国内汽车企业应用很少.

本文选取结构复杂、制造工艺要求高的汽车发动机缸体作为研究对象，探索运用GaBi6软件对发动机缸体产品生命周期的能耗与排放进行评价，从而有针对性地提出改进措施，实现节能减排.本文首先建立了节能减排综合评价数学模型，在确定具体研究目标与范围的基础上，对缸体进行生命周期清单分析，得出发动机缸体节能减排评价结果，并提出相应的改进对策.

1 节能减排综合评价模型

1.1 环境影响分析

GaBi6软件选用莱顿大学环境研究中心发表的CML2001方法对环境影响进行分析.该方法将环境影响分为人体健康潜力(HTP)、酸化潜力(AP)、海水水生生态毒性潜力(MAETP)、富营养化潜力(EP)、光化学形成潜力(POCP)、淡水水生生态毒性潜力(FAETP)、臭氧层耗竭潜力(ODP)、全球变暖潜力(GWP)和陆地生态毒性潜力(TETP)9种类型.要得到产品在全生命周期环境影响的综合情况，首先需要计算各类型环境影响的权重.采用层次分析法建立的9种类型环境影响的重要性标度见表1.

根据表1数据，列出判断矩阵A=(aij)9×9，根据公式(1)、(2)，求得HTP，AP，MAETP，EP，POCP，FAETP，ODP，GWP和TETP的环境影响权重分别为0.296，0.214，0.145，0.096，0.094，0.061，0.042，0.029，0.023.

(1)

(2)

表1 环境影响类型的重要性标度Tab.1 The importance of environmental impact type

对判断矩阵A进行一致性检验，得到一致性比率CR=0.029 7<0.1，表明求得的9种类型环境影响权重是合理的.设9种类型环境影响总值为EI，其值可由(3)式求得，

EI=∑EIi×ωi.

(3)

1.2 能耗分析

在产品的原材料加工、制造、使用和回收阶段均要消耗能量.设产品在第i阶段的能耗为ECi，总能耗为EC.EC的计算公式为

EC=∑ECi.

(4)

1.3 节能减排综合评价

为定量分析产品生命周期各阶段环境影响和能量消耗的综合情况，建立了节能减排综合评价模型为

(5)

式中：α1和α2分别代表环境影响总值EI与总能耗EC的权重系数.在设定权重系数时，采用了1～9的重要性标度法以及层次分析法，得出权重值分别为0.67，0.33.

2 目标与研究范围

2.1 目标的确定

汽车发动机缸体属于方型箱体零件，其主要特点是：结构复杂，尺寸比较大，壁厚比较薄，刚度比较低，要加工多个精度要求较高的平面和孔系，还要加工较多供联接用的螺纹孔等.对发动机缸体生命周期中涉及的能源消耗和污染物排放进行综合评价，为发动机缸体节能减排的改进提供科学参考.

图1 直列4缸发动机缸体

2.2 研究范围

选择某发动机厂某直列4缸发动机缸体(图1)为研究对象，主要参数见表2.缸体的系统边界与输入输出如图2所示.

关于发动机缸体的系统边界及输入输出说明如下：

1) 假设能源输入为电能消耗,且电能来源全部为火力发电.国家统计局规定[3]，按火力发电标准煤耗计算，1 kW·h电可折算为0.122 9 kg标准煤.

2) 输入的物质流和能量流全部以功能单位为基准进行量化.

3) 系统输出主要考虑由空气污染、水污染引起的环境问题，噪声污染等环境影响不在研究范围内.

表2 缸体的主要参数Tab.2 The major parameter of cylinder

图2 缸体的系统边界与输入输出

3 缸体生命周期清单分析

3.1 缸体毛坯生产阶段

利用徐自立[4]对铝合金缸体原材料的研究数据，推算出42 kg缸体毛坯消耗的原材料情况见表3.

表3 生产42 kg缸体毛坯的原材料消耗量Tab.3 The raw materials consumption of producing 42 kg cylinder workblank kg

应用GaBi6软件得到缸体毛坯生产阶段主要污染物的排放和能耗，结果见表4.

表4 缸体毛坯生产阶段的输出清单数据Tab.4 The output listing data of cylinder workblank phase

3.2 缸体制造阶段

通过实地调研和查阅资料，得到缸体制造阶段的工艺数据及辅料数据[5].以功能单位为基准进行换算，求出缸体每个工艺过程的输入数据见表5.

表5 缸体工艺过程的能量与辅料输入清单数据Tab.5 The input listing data of energy and excipients during cylinder process

续表5

通过建立GaBi6软件的缸体工艺流程模型，输出各工序的空气污染物排放(CO2,NO2,SO2,PM2.5)、水污染物排放和能源消耗数据清单.其中部分工序的数据输出清单见表6.

表6 缸体制造阶段的输出清单数据(部分)Tab.6 The output listing data of cylinder manufacturing phase (section)

3.3 缸体使用阶段

因为缸体在使用过程中产生的环境危害非常小，所以该阶段的能耗和环境影响忽略不计.

3.4 缸体回收阶段

缸体的回收方式有很多种，选择的回收方式是回炉熔炼.电能消耗数据参考了刘少宇[6]对废铝合金回收处理的研究成果，可得缸体回收阶段的输入清单(表7).缸体回收阶段GaBi6软件的输出结果见表8，从表8中数据可知，回收阶段的熔炼过程产生的CO2最多，而其他空气污染物则非常少.

表7 缸体回收阶段的输入清单数据Tab.7 The input listing data of cylinder recycle phase

表8 缸体回收阶段的输出清单数据Tab.8 The output listing data of cylinder recycle phase

4 发动机缸体节能减排综合评价

4.1 环境影响

采用GaBi6软件分析后，输出发动机缸体在各生命周期阶段的CML2001 9种类型环境影响结果见表9.根据公式(3)可得，缸体毛坯生产阶段环境影响总值为22 845 kg，缸体制造阶段环境影响总值为136 kg，缸体回收阶段环境影响总值为114 kg，故发动机缸体全生命周期环境影响总值为23 095 kg.

表9 缸体各生命周期的环境影响Tab.9 The environmental implication of cylinder whole lifecycle kg

4.2 能源消耗

发动机缸体在毛坯生产、缸体制造、缸体回收阶段的能源消耗量在折算为标准煤后的结果见表10.发动机缸体全生命周期的总能源消耗量为528.741 kg标准煤.

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

4.3 发动机缸体节能减排综合评价

根据公式(5)可得，缸体毛坯生产阶段的节能减排综合评价为15 471 kg，缸体制造阶段的节能减排综合评价为97 kg，缸体回收阶段的节能减排综合评价为80 kg，故发动机缸体全生命周期节能减排综合评价为15 648 kg.

5 结论

从研究结果可以看出，缸体各个生命周期阶段节能减排综合评价值从大到小排列为：缸体毛坯生产阶段>缸体制造阶段>缸体回收阶段>缸体使用阶段.因此，从全生命周期的角度来看，采用更加环保的缸体毛坯材料以及开展轻量化设计是实现缸体节能减排的关键.缸体在全生命周期对环境影响大小顺序为：MAETP>GWP>HTP>TETP>FAETP>AP>EP>POCP>ODP，说明缸体在全生命周期内污染排放物对海水水生生态毒性影响程度最大，其次会影响全球变暖.在缸体制造阶段，产生环境危害较大的工序是浸渗，原因是该工序采用的设备能耗较大，同时加工时需要消耗约2 kg浸渗液.由此可知，通过选用低能耗设备以及精准测算并减少浸渗液用量，可以提高该工序的节能减排效果.

[1] 曾胜强．我国汽车产业可持续发展问题研究[J]．思想战线，2011(S2)：105-107．

[2] 张磊．基于GaBi4的电动汽车生命周期评价研究[D]．合肥：合肥工业大学，2011．

[3] 国家统计局能源统计司．中国能源统计年鉴2012[M]．北京：中国统计出版社，2012：4．

[4] 徐自立．铝合金发动机缸体材料的试验研究[J]．武汉船舶职业技术学院学报，2005(3)：11-12．

[5] 陈良江．长安汽车发动机缸体机械加工自动线总体设计与研究[D]．重庆：重庆大学，2001．

[6] 刘少宇．废铝合金回收处理及再利用技术[J]．有色金属加工，2011，40(4)：1-4．

(责任编辑：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

国家自然科学基金资助项目，编号71173072.

俞宁(1974-)，女，浙江金华人，副教授,博士研究生，主要从事汽车技术与产业发展研究，E-mail：yuning@cqut.edu.cn.

俞宁，杨沿平，秦雪梅，等.基于GaBi的发动机缸体节能减排评价研究[J].郑州大学学报：理学版，2015，47(2):115-120.

U464.231

A

1671-6841(2015)02-0115-06

10.3969/j.issn.1671-6841.2015.02.023