铝的使用对车辆生命周期能耗影响分析

郝夏艳，张黎

（1.湖北汽车工业学院 电气与信息工程学院，湖北 十堰 442002；2.东风汽车变速箱有限公司，湖北 十堰 442003）

铝的使用对车辆生命周期能耗影响分析

郝夏艳1，张黎2

（1.湖北汽车工业学院 电气与信息工程学院，湖北 十堰 442002；2.东风汽车变速箱有限公司，湖北 十堰 442003）

假设某汽车发动机上的某铸铁部件由铝合金部件替换，对由此导致的发动机质量变化和材料变化对车辆生命周期燃料循环和车辆循环两种不同的能量循环的影响进行分析。分析结果表明：当发动机上铝的质量增加，燃料循环阶段能耗明显降低，车辆循环阶段能耗增加，但影响不大，总体效果使得车辆生命周期能耗明显降低。

铝；燃料循环；车辆循环；生命周期能耗

铝因其密度小、耐腐蚀性好等众多方面的优点已成为汽车生产不可或缺的重要材料，目前铝合金广泛用于汽车发动机、离合器壳体、变速器、车门等各种部件上。静止部件上铝的使用为车辆带来了良好的轻量化效果，如德国奥迪A8整个车身采用铝材制造，比钢车身减重30%-50%［1］。运动部件上使用铝在减轻重量的同时，还提高了效率，日本本田汽车公司开发的铝基复合材料连杆比钢制连杆减轻质量30%，对1.2L的汽油机来说，改善了燃油经济性5%［2］；辉门公司研发出的高级轻质铝Elastoval II活塞不仅质量更轻，而且有助于提高输出功率［3］。由此可见，不管是静止部件还是运动部件，使用铝都减轻了质量，其直接效果就是车辆在使用阶段燃油消耗的降低。但因各种材料的制造能耗不同，使用铝是否真正节能，必须同时考虑生命周期的燃料循环和车辆循环的能量循环。

本文假设某汽车发动机上的某一铸铁部件由铝合金部件替换，对由此导致的发动机质量变化和材料变化对车辆生命周期燃料循环和车辆循环的影响进行分析，力求为各种新材料在汽车上使用的节能效果分析提供一种参考方法，及如何为车辆选择最节能的材料提供思路。

1 燃料循环和车辆循环的含义

在能源资源与环境形势日趋严峻的今天，对车辆能耗的评定已不能仅仅局限于使用阶段，必须从原材料的获取、生产、使用、乃至废物的回收利用也即“从摇篮到坟墓”的生命周期视角来分析［4］。

从生命周期的视角来看车辆，分析各种汽车的能量消耗和排放都需考虑两种不同的能量循环，即生产和使用燃料（燃料循环）和生产和使用汽车（车辆循环）。

燃料循环（fuel-cycle），是指燃料从矿场开采一直到车辆消耗燃烧的过程，可以将其分为原油阶段（原油开采、运输）、燃料阶段（燃料生产、运输、储存、配送）、使用阶段（燃烧、蒸发等）；其中原油阶段和燃料阶段可以统称为 “从油井到油箱 （well-totank，WTT）”的过程，使用阶段又可称为“从油箱到车轮（tank-to-wheel，TTW）”的过程，从而燃料的整个生命周期又可称为 “从油井到车轮 （well-towheel，WTW）”的过程［5］。

车辆循环 (vehicle-cycle)，是指车辆从材料准备、生产制造、到报废处理的过程，又可将其分为使用前阶段（材料制造、零件装配、车辆组装）、使用阶段（行驶、刹车等）、使用后阶段（车辆废弃、回收）。其中，使用阶段要结合燃料与动力技术来研究［4］。

2 铝的使用对车辆生命周期能耗的影响分析

根据燃料循环和车辆循环的理论基础，使用铝带来的发动机质量的变化会引起发动机燃料循环阶段能耗的变化，而不同材料的质量变化会引起发动机车辆循环阶段能耗的变化，这些变化最终会引起车辆生命周期能耗的变化。本文选取某汽车上的发动机，分别对因发动机中铝的质量变化引起的燃料循环阶段能耗和车辆循环阶段能耗敏感性变化进行分析。

2.1 敏感性分析方法简介

敏感性分析是指从众多不确定性因素中找出对产品性能指标有重要影响的敏感性因素，并分析、测算其对产品性能指标的影响程度，进而提出改进产品性能的一种不确定性分析方法。敏感性分析可以分为单因素敏感性分析和多因素敏感性分析。单因素敏感性分析是在分析某一因素对性能指标的影响时，假定其他因素不变，考虑某一因素变动对其结果的影响。事实上，有些因素的变动不是独立的，相互之间有相关性，某一个因素变动的同时其他因素也会有相应的变动。多因素敏感性分析就是要考虑各种因素可能发生的不同变动幅度的多种组合方案对经济效果的影响程度。由于各种因素可能发生的不同变动幅度的组合关系复杂，组合方案繁多［5］。本文进行的是单因素敏感性分析。

2.2 相关假设

1）假设某汽油发动机中使用的铸铁和铝均为原生铸铁和原生铝，其中某一铸铁部件由铝合金部件替换后发动机铝的质量变化为ΔX；

2）假定发动机中除铸铁和铝以外其他材料（包括钢、铜、橡胶、塑料）质量不变；

3）因铝的质量变化引起的燃料循环阶段能耗变化为ΔEWTW,因铝的质量变化带来的材料变化引起的车辆循环阶段能耗变化为ΔEvehicle，因铝的质量变化引起的车辆生命周期能耗变化为ΔE。

2.3 ΔX对ΔEWTW的敏感性分析

铝的质量变化ΔX得到的发动机总质量XE为

式中：X铜、X橡胶、X钢、X塑料分别为发动机中铜、橡胶、钢、塑料的质量，如表1所示，假定铝、铸铁的密度分别为2.7g·cm-3、7.3g·cm-3。

表1 某汽车发动机中各种材料的比重、质量

由式（1）得到发动机总质量XE，其与铝的质量变化ΔX的关系为式（2）：

假定发动机质量占总质量的20%，则由表2中油耗与整车质量关系可得到油耗B与铝的质量变化ΔX的关系为式（3）：

由此可以得到因铝的质量变化ΔX引起发动机的油耗变化ΔB，如图1所示：

表2 中国和日本油耗与排量及整车质量的关系

按欧洲ECE工况测得油耗为7.00L·（100km）-1，汽油的密度和热值根据加工工艺不同会略有差距，本文假定汽油的密度为0.72 kg·L-1，热值为46 MJ·kg-1。

结合以上数据和表3所示数据、TTW阶段能耗计算公式：

式中：b为发动机油耗；ρ为汽油密度；q为汽油热值。和WTW 阶段能耗计算公式：

可以推算出因铝的质量变化ΔX引起的发动机油耗变化ΔB到最终引起的燃料循环阶段能耗变化ΔEWTW的关系式为式（5），如图2所示：

表3 发动机WTT阶段能耗Btu/Mbtu

2.4 ΔX对ΔEvehicle的敏感性分析

结合铸铁、铝的材料能耗（表4），可以得到因铝的质量变化引起的发动机车辆循环阶段能耗变化ΔEvehicle的关系式为式（6），如图3所示：

表4 钢铁、铝的能耗参数mmBtu/t

2.5 ΔX对ΔE的敏感性分析

由以上分析可以得出，因铝的质量变化ΔX引起的车辆生命周期能耗变化ΔE的关系式为式（7），如图4所示：

最终得出铝的质量变化ΔX对生命周期燃料循环阶段、车辆循环阶段及总能耗变化的影响综合图如图5所示。

3 结论

从图5可以看出，发动机上铝的质量增加带来的发动机质量的变化引起燃料循环阶段的能耗明显降低，但铝的质量增加带来不同材料的质量变化引起的车辆循环阶段能耗增加，但影响不大，总体效果使得车辆生命周期能耗明显降低。这说明如果能够进一步降低汽车用铝在车辆循环阶段的能耗，比如采用再生铝，使用铝将会更加节能。

将此结论及方法推广应用到各种车用材料，包括目前因生产能耗过高、污染过大、回收困难的具有节能争议性的电动汽车电池，要想真正达到节能的效果，就不仅仅要关注燃料循环阶段能耗的降低，也应尽量减少车辆循环阶段的能耗，这样才不会导致车辆整个生命周期内某一阶段节能而整体能耗反而增加。

［1］孟岩，潘建亮.汽车轻量化材料的应用 ［J］.汽车与配件,2010（18）:24-27.

［2］邓闻辉.轻质材料铝合金在汽车上的应用及前景［EB/ OL］.（2007-6-19）.http://qicheren.blog.hexun.com/10156 028_d.html.

［3］盖世汽车网.辉门研发新轻质铝活塞可提高发动机效率［EB/OL］.（2012-7-13）.http://auto.qq.com/a/2012071 3/000088.htm.

［4］胡志远.车用生物柴油生命周期评价及多目标优化［R］.上海：同济大学，2006：58-65.

［5］Wang M Q.Development and Use of GREET 1.6.Fuel-Cycle Models for Transportation Fuels and Vehicle Technologies.Energy Systems Division，2001，15（2）: 163-165.

［6］安然.汽车空调核心零部件技改项目的敏感性分析［J］.装备制造技术，2011（12）:166-168.

Influence of Aluminum Application on Vehicle Life Cycle Energy Consumption

Hao Xiayan1，Zhang Li2
（1.School of Electrical&Information Engineering，Hubei Automotive Industries Institute,Shiyan 442002，China; 2.Dongfeng Motor Transmission Co.Ltd,Shiyan 442003，China）

The influence of the engine quality change and material change on fuel cycle and vehicle cycle was analyzed if casting iron parts of engine was replaced by aluminum alloy parts.The analysis results show that:with the increase of the aluminum quality,the energy consumption of the fuel cycle stage obviously decreases,the energy consumption of the vehicle cycle stage increases,but the impact is not big,overall effect makes the vehicle life cycle energy consumption decrease obviously.

aluminum;fuel cycle;vehicle cycle;life cycle energy consumption

U465

A

1008-5483（2012）04-0052-04

10.3969/j.issn.1008-5483.2012.04.014

2012-11-22

郝夏艳（1984-），女，湖北十堰人，硕士，从事汽车电子及汽车节能的研究。