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）

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）

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。

铝合金；复合材料；引擎盖；生命周期评价；环境影响

0 引 言

截止到2010年9月，我国汽车保有量达到8 500万辆，超越了日本成为仅次于美国的全球汽车保有量第二大国。随着汽车保有量的不断增加，尾气排放日益严重，环境污染已成为当今威胁人类生存和发展的重要因素［1］，人们生态系统保护意识的提高迫使我国汽车产业面临新的问题——节能减排。实验数据表明［2］，若汽车整备质量降低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CO2的排放量可减少5g。文献［3］统计了我国21个品牌97种车型1 384例普通轿车，通过实验得出车辆行驶百公里耗油量ε与汽车质量m的关系为：

由（1）式可知，燃油消耗量随着汽车质量的减轻而降低，因此汽车轻量化对于节约能源、减少排放、实现可持续发展战略具有十分重要的意义，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、塑料和复合材料等。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218kg［4］。Audi公司提出ASF（Audi Space Frame，简称ASE）概念，采用全铝车身框架，最典型的A8全铝车身轻量化比例达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5kg。我国奇瑞汽车公司的东方之子车型中使用GMT（Glass Mat reinforced Thermoplastic，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。因为大量使用铝和PET（polyethylene terephthalate，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［6］；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［8］描述了国内汽车铝合金替代件的温室气体排放和能耗的生命周期评价模型，通过分析，使用铝合金替代件的汽车可降低6%的温室气体排放和能耗。文献［9］利用生命周期评价方法对中国内地台式计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［10］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［11］。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1t铝合金要比重新生产1t铝合金少耗能95%［12］。

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脂基复合材料，又叫纤维增强塑料，是以树脂（聚丙烯脂、环氧树脂、聚乙烯脂等）为基体材料，以纤维（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，玻璃纤维增强材料，俗称“玻璃钢”，是目前汽车上应用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。

表1 铝合金和GMT的刚度和强度性能

表1中，PP（Polypropylene）为聚丙烯；GF（glass fiber）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（Life Cycle Assessment，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［13］。由国际环境毒理学与化学学会（The Society of Environmental Toxicology and Chemistry，简称SETAC）在1990年首次系统地提出，之后ISO正式颁布ISO14040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。

图1 LCA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，进行数据量化分析。

（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［15］。

（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。

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1 100kg，其中钢质引擎盖质量12.435kg（外板：7.461kg；内板：4.974kg）。按照文献［16］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

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。

图2 引擎盖的生命周期过程

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干法工艺，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。

表3 2种引擎盖原材料的污染物排放和能耗 kg

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GaBi 4.3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所列。

表4 生产汽油和汽车燃烧汽油的污染物排放 kg

在使用过程中，汽车的使用寿命按累计行驶300 000km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25 227.3L和25 246.5L，按密度为0.76kg／L转化为质量，分别为19 172.75kg和19 187.34kg。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年美国的再生铝产量就达328×104t，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［17］。使用主机电动功率为15～22kW、加热功率为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1tGMT再造粒耗能317.952MJ。

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EI等于回收阶段的直接环境影响EIre减去节省的原材料提取时的环境影响EIm，即

其中，mi为待回收的第i种材料的质量，i＝1；ei为回收单位质量第i种材料的环境影响；η为第i种材料的回收率；vi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GaBi 4.3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、植物光化学臭氧接触、臭氧层消耗和陆地富营养化7种，特征 化分析结果见表5所列。

表5 铝合金和GMT引擎盖的全生命周期环境影响

通过生命周期评价软件把2种引擎盖的全生命周期环境影响按照EDIP2003生命周期影响评价方法进行标准化和加权评估，结果如图3和图4所示。

图3 全生命周期的不同类型环境影响

图4 生命周期各阶段的综合环境影响

由图3、图4可知，铝合金引擎盖的全生命周期环境影响值小于GMT材料的引擎盖；植物光化学臭氧接触、全球变暖和陆地富营养化的影响较为严重；2种材料的引擎盖在使用阶段的环境影响，占全生命周期环境影响的绝大部分；虽然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均大于GMT材料引擎盖，但由于铝合金引擎盖比后者轻，使安装了铝合金引擎盖的汽车在整个生命周期阶段的油耗，比安装GMT材料引擎盖的汽车较少，从而减少了铝合金引擎盖使用阶段的环境影响值。

通过生命周期环境影响分析可知，GMT材料引擎盖在原材料阶段和制造阶段的环境影响均大于铝合金引擎盖，但是由于前者的质量大于后者，燃油消耗也将随着质量的增加而增加，从而导致使用阶段的环境影响增大。汽车使用阶段的寿命为15a（行驶300 000km），在使用阶段刚开始时，使用GMT材料的汽车环境影响小于使用铝合金材料的汽车，随着使用年限的增长，汽车燃油消耗量也逐渐增加。由于使用GMT材料零部件的汽车油耗大于使用铝合金材料零部件的汽车，在行驶一定时间后，使用GMT材料的汽车环境影响等于使用铝合金材料的汽车，经过此临界值后，前者将大于后者。

由单一汽车引擎盖扩展到整车，假设汽车A使用了100kg铝合金零部件（整车1 500kg），汽车B使用120kg GMT材料代替铝合金材料零部件（整车重1 520kg），零部件的制造工艺与引擎盖相同，根据文献［8］，每年行驶的累计路程按图5所示计算，随着汽车行驶累计路程的增加，汽车A和B的环境影响结果如图6所示。由图6可以看出当行驶至第7年，即累计路程达14.85×104km时，汽车A和汽车B的环境影响值相等，在之后的使用阶段，汽车A的环境保护的优越性将体现出来。

图5 汽车每年行驶的累积路程

图6 汽车A和B的综合环境影响

4 结束语

虽然铝合金的密度大于GMT，但铝合金的材料性能优于GMT材料，使得应用铝合金材料零部件质量小于应用GMT材料的相同零部件。即使在原材料获取与加工制造阶段，铝合金材料零部件的环境影响大于GMT材料零部件，使用阶段燃油消耗量的减少，使得前者全生命周期环境影响小于后者。

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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

国家“十二五”科技支撑计划资助项目（2011BAF11B04）

刘志峰（1963－），男，陕西宝鸡人，博士，合肥工业大学教授，博士生导师.

（责任编辑 吕 杰）